Modélisation de la dynamique de parois de domaines dans des nanofils à section circulaire

Modeling of domain walls dynamics in circular cross-section nanowires

• Auteur / Autrice : Arnaud de Riz
• Direction : Jean-Christophe Toussaint, Daria Gusakova
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique de la matière condensée et du rayonnement
• Date : Soutenance le 15/03/2021
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique (Grenoble ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Spintronique et technologie des composants (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Mairbek Chshiev
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Nicolas Rougemaille, Matthieu Bailleul
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : André Thiaville, François Montaigne

Mots clés

Mots clés contrôlés

Nanofils

Domaines magnétiques

Mots clés libres

Spintronique

Micromagnétisme

Simulation

Spintronics

Micromagnetics

Simulation

Résumé

Cette thèse présente une étude théorique de la dynamique de parois de domaines magnétiques sous courant dans des nanofils magnétiques doux à section circulaire. Ce travail se focalise sur des phénomènes critiques, tels que le piégeage de parois et le changement de leur structure interne. Nous combinons des simulations micromagnétiques avec des descriptions analytiques simplifiées afin de fournir une vue d'ensemble des paramètres clés de cette étude, utiles à la prédiction et à la compréhension des expériences. En particulier, le manuscrit quantifie deux phénomènes critiques. Premièrement, nous nous sommes intéressés au contrôle de la position des parois de domaines. Il peut être exercé à l'aide de modulations de diamètre, créant une barrière de potentiel s'opposant à la propagation, et donc nécessitant un courant de seuil pour la franchir. Pour cela, un modèle analytique a été développé pour des fils de diamètres modérés (< 7 lex) où la texture magnétique la plus stable est la paroi transverse-vortex. Les prédictions analytiques sont en bon accord avec les simulations micromagnétiques dans le cas où la modulation est abrupte et dans le cas où la modulation est douce. Deuxièmement, nous nous sommes intéressés au champ Oersted généré par le courant appliqué dans des fils de grands diamètres (> 7 lex) dont les effets avaient été négligés jusqu’à présent. Dans ces géométries, la paroi Point-de-Bloch est la plus favorable des textures magnétiques. L’amplitude du champ Oersted est considérable, jouant un rôle majeur dans la stabilisation de paroi pour la dynamique ultra-rapide. Tout particulièrement, le manuscrit quantifie le phénomène de la sélection de circulation de Point-de-Bloch observé expérimentalement dans un travail récent, avec un accord quantitatif sur le courant de seuil. Les simulations micromagnétiques ont aussi mis en évidence la complexité des transformations de la paroi point-de-Bloch.

In this thesis is presented a micromagnetic study of current-driven domain wall (DW) dynamics in soft magnetic nanowires with a circular cross section. This work is focused on critical phenomena, such as DW pinning and modifications in their internal structure. Micromagnetic simulations were combined with simplified analytical descriptions to provide an overview of the several key parameters, crucial for predicting and understanding experiments. The precise control of the position of the DWs may be achieved through modulations of the diameter of the nanowires, giving rise to a potential barrier acting against propagation, and thus, requiring a threshold current to be overcome. An analytical model was developed for moderate diameter wires (< 7 lex), for which the most stable magnetic texture is the transverse-vortex wall (TVW). Numerical simulations are in good agreement with the analytical predictions, both in the case of abrupt and smooth modulations. For larger diameter nanowires (> 7 lex), the effects of the Oersted field generated by the applied current, which had been overlooked so far, are considered. In such geometries, the Bloch-point wall (BPW) is the most stable magnetic texture, and as such, the most favored one. The considerable amplitude of the Oesterd field plays a major role in the stabilization of the DW in the ultra-fast dynamic. In particular, this work aimed to quantify the Bloch-point circulation selection phenomenon, observed and described in one of our recent experimental works, with a quantitative theoretical agreement on the value of the threshold current. The micromagnetic simulations have also highlighted the intrinsic complexity of the Bloch-point wall transformations.