Déplacement de parois magnétiques dans des nanofils cylindriques à modulations de matériau

Current-induced motion of magnetic domain walls in cylindrical nanowires with chemical modulations

• Auteur / Autrice : Laura Alvaro Gomez
• Direction : Olivier Fruchart, Lucas Perez Garcia
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Nanophysique
• Date : Soutenance le 26/06/2023
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes en cotutelle avec Université Complutense de Madrid (1836-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique (Grenoble ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Spintronique et technologie des composants (Grenoble) - Université Complutense de Madrid (1836-....)
• Jury : Président / Présidente : Arantzazu Mascaraque Susunaga
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Liliana-Daniela Buda, Javier Tornos Castillo, Aurelio Hierro Rodriguez
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Matthieu Bailleul, Christian Back

Mots clés

Mots clés contrôlés

Dynamique d'aimantation

Nanofils

Microscopie à force de résonance magnétique

Domaines magnétiques

Spintronique

Mots clés libres

Spintronique

Nanomagnétisme

Paroi magnétique

Microscopie magnétique

Nanofil

Dynamique d'aimantation

Nanowire

Magnetization dynamics

Magnetic microscopy

Spintronic

Magnetic domain wall

Nanomagnetism

Résumé

Les nanofils magnétiques cylindriques constituent un cas d’école pour étudier la dynamique d’aimantation dans un système tridimensionnel, et ont également été proposés comme brique de base de dispositifs tridimensionnels de stockage d’information. Entre autres effets induits par la courbure, ils peuvent héberger un type unique de paroi de domaine magnétique connu sous le nom de paroi à point de Bloch (BPW en anglais). Sa topologie spécifique permet le déplacement ultra-rapide de la paroi, en repoussant considérablement le seuil d'instabilité dynamique dit de Walker. Des travaux pionniers récents dans le groupe hôte ont montré expérimentalement le déplacement BPW sous l’effet d’un courant polarisé en spin avec des vitesses de plusieurs centaines de m/s, mais associé à un piégeage aléatoire. Afin d'obtenir un meilleur contrôle du mouvement des paroi, cette thèse étudie des nanofils synthétiques, constitués de segments de Permalloy séparés par des modulations magnétiques chimiques pour induire un piégeage contrôlé. La synthèse a été réalisée par électrodéposition pulsée dans des gabarits poreux et un bain unique. Par la suite, des nanofils individuels ont été contactés électriquement pour permettre l'injection d'impulsions électriques de l'ordre de la nanoseconde. L'imagerie magnétique par rayons X a permis la caractérisation magnétique tridimensionnelle, combinée à des simulations micromagnétiques pour mieux en comprendre la physique. Cela a permis d'obtenir une image complète de l'aimantation azimutale aux modulations chimiques, et son couplage avec l'aimantation azimutale des parois à point de Bloch. Ces deux phénomènes peuvent être contrôlés par le champ d'Œrsted associé au courant électrique. Nous avons ainsi constaté que, selon son amplitude et sa durée, ce courant induit le renversement de la circulation azimutale de l’aimantation, des transformations de parois ou des mouvements à longue distance. Nous avons identifié le mécanisme sous-jacent de ces phénomènes, qui reposent sur l'interaction entre les objets topologiques en volume (des points de Bloch) et les objets de surface (paires vortex-antivortex). Enfin, un mouvement ultra-rapide de parois supérieur à 1 km/s d'un site de modulation à l'autre a été réalisé, sous l'effet combiné du transfert de spin, du champ d'Œrsted et du chauffage par effet Joule, effets qui cependant ne peuvent être désintriqués expérimentalement.

Cylindrical magnetic nanowires are a prototypical system for exploring the physics of three-dimensional magnetization dynamics, and are also proposed as building blocks for three-dimensional storage devices. Among other curvature-induced effects, they can host a unique type of magnetic domain wall (DW) known as Bloch-Point-Wall (BPW), whose topology allows for ultra-fast DW motion, thanks to largely delaying the Walker instability threshold. Recent pioneering work in the host group has shown experimental BPW motion under spin-transfer-torque with velocities of several hundred of m/s, but with stochastic pinning. To achieve a better control of DW motion, this thesis investigates engineered nanowires, composed of Permalloy segments separated by magnetic chemical modulations as controlled pinning sites. The synthesis was performed by single bath template-assisted electrodeposition. Subsequently, individual nanowires were electrically contacted to enable the injection of electrical pulses in the nanosecond range. X-ray magnetic imaging allowed the three-dimensional magnetic characterization, combined with micromagnetic simulations. This provided a comprehensive picture of curling magnetization at the chemical modulation location, and its coupling to the BPW azimuthal magnetization. Both can be addressed by the Œrsted field associated with an electric current. We have found that depending on its amplitude and duration, it can cause circulation switching, DW transformations or long-distance motion. We have identified the underlying mechanism of these phenomena, which relies on the interplay between volume topological objects (Bloch points) and surface objects (vortex-antivortex pairs). Finally, ultra-fast DW motion above 1 km/s from one modulation site to the next was achieved, driven by the combined effects of STT, Œrsted field and Joule heating, which cannot be disentangled experimentally.