Dynamique induite par le courant des parois de domaines magnétiques dites à point de Bloch dans les nanofils cylindriques

Current-induced of magnetic Bloch-point domain wall dynamics in cylindrical nanowires

• Auteur / Autrice : Michael Schöbitz
• Direction : Olivier Fruchart, Julien Bachmann
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Nanophysique
• Date : Soutenance le 02/07/2021
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes en cotutelle avec Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique (Grenoble ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Spintronique et technologie des composants (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Jan Vogel
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Claire Donnelly, Jean-Philippe Ansermet, Danijela Gregurec
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Del Atkinson, Laura Thevenard

Mots clés

Mots clés contrôlés

Équations de Bloch

Magnétisme

Nanofils

Mots clés libres

Spintronique

Paroi magnétique

Nanofil

Électrochimie

Magnetic domain wall

Spintronics

Nanowire

Electrochemistry

Résumé

Les nanofils magnétiques cylindriques constituent une plateforme parfaite pour étudier la dynamique de parois de domaine magnétiques, en raison de la mobilité et de la stabilité attendues de la topologiquement unique des parois dites à point de Bloch (BPW). Cette thèse explore expérimentalement le comportement des BPWs dans des nanofils cylindriques individuels soumis à des impulsions de courant électrique d'une durée de quelques nanosecondes. J’ai synthétisé des nanofils de matériaux magnétiquement doux (alliages CoNi et CoFe) d'un diamètre de 60-200 nm, par dépôt électrochimique dans des gabarits nanoporeux. Pour étudier la dynamique de l'aimantation sans entrave, j’ai d'abord optimisé les matériaux des nanofils en fonction du potentiel de piégeage de leur paroi de domaine. J’ai ainsi montré que le champ de propagation est réduit dans les matériaux avec de petits grains cristallins ou avec des valeurs élevées d'aimantation spontanée, ce qui est cohérent avec le piégeage des parois de domaine aux frontières des grains. Le contactage électrique de nanofils individuels dispersés sur des substrats a permis d'envoyer des impulsions de courant électrique de quelques nanosecondes. En utilisant des techniques d'imagerie magnétique, nous avons découvert que, bien que négligé jusqu'à présent, le champ azimutal d'Œrsted induit par le courant électrique a un effet crucial sur l'aimantation : il sélectionne et stabilise les parois exclusivement de type point de Bloch, avec une circulation gauche ou droite déterministe. De plus, j’ai utilisé une imagerie magnétique résolue en temps pour visualiser les effets du champ d'Œrsted en temps réel, et j’ai constaté que le champ induit un enroulement hélicoidal de l'aimantation dans des domaines longitudinaux au repos, et dans un régime de faible densité de courant, il provoque la compression ou l'expansion d'un BPW. Enfin, les mesures du déplacement des BPW induits par le courant montrent qu'en dépit de vitesses pouvant atteindre 2400 m/s, la principale force motrice n'est pas le couple de transfert de spin et pourrait plutôt être liée à l’augmentation de température due au chauffage par effet Joule.

Cylindrical magnetic nanowires provide a perfect platform to study the dynamics of magnetic domain wall motion, due to expected high mobility and stability of the topologically-unique Bloch-point domain wall (BPW). This thesis experimentally explores the behaviour of BPWs in individual cylindrical nanowires subjected to nanosecond-duration pulses of electric current. Wires of magnetically-soft material (CoNi and CoFe alloys) with diameters 60-200 nm were grown by electrochemical deposition into nanoporous templates. To study unhindered magnetisation dynamics, I first optimised nanowire materials in regard to their domain wall pinning potential. I show that the depinning field is reduced in materials with small crystal grains or with high values of spontaneous magnetisation, consistent with domain wall pinning on grain boundaries. Electrical contacting of individual nanowires dispersed on substrates allowed sending nanosecond electric current pulses. Using magnetic imaging techniques we found that despite being previously overlooked, the azimuthal Œrsted field induced by the electric current has a dramatic effect on magnetisation: it selects and stabilises walls exclusively of the Bloch-point type with a deterministic circulation, parallel to the Œrsted field. Further, I use time resolved magnetic imaging to visualise the Œrsted field effects and find that the field induces azimuthal curling of magnetisation in otherwise longitudinal domains, and in a low current density regime causes the compression or expansion of a BPW. Finally, measurements of current driven BPW motion show that despite reaching speeds of up to 2400 m/s the principal driving force is not spin-transfer torque and may instead be related to a temperature increase due to Joule heating.