Exploring the antiferromagnetic order with a single-spin magnetometer
Explorer l'ordre antiferromagnétique avec un magnétomètre à spin unique
Résumé
Antiferromagnetic (AF) materials are currently attracting considerable excitement for low dissipative and ultrafast spintronic devices. However, most of conventional real-space magnetic microscopy techniques cannot probe the AF order at the nanoscale because magnetic moments are mostly compensated, resulting in very low magnetic signals. This is a major obstacle to the fundamental understanding of nanoscale AF order and its response to external stimuli, such as spin polarized currents or electric fields. To release the full potential of antiferromagnets for next-generation spintronics, the nanoscale control and imaging capabilities that are now routine for ferromagnets must be extended to AF materials. In this thesis we prove that scanning magnetometry based on a single nitrogen–vacancy (NV) defect in diamond is ideally suited for imaging complex AF orders at the nanoscale, even under ambient conditions.A promising platform for AF spintronics is BiFeO3 (BFO), a prototypical room-temperature multiferroic material in which the AF order is intimately linked to the ferroelectric one via magnetoelectric coupling. Scanning NV magnetometry here demonstrates its ability to image the AF cycloidal order in BFO by mapping the magnetic stray field it produces. It also permits inferring interesting quantities such as the uncompensated magnetic moment of the spin density wave, and the real-space visualization of the intimate link between the ferroelectric and the AF orders. In order for BFO to make its way into device applications, the thin film form must be employed. The effect of epitaxial constraint on the behaviour of the AF order in strained BFO thin films is investigated. NV magnetometry proved that strain-tuning and electric-field switching, can stabilize a wide variety of complex antiferromagnetic spin textures in BFO thin films.Beyond imaging the static stray field, we demonstrate a new approach for imaging AF textures. It consists of mapping the magnetic noise they locally produce rather than their static magnetic fields. This technique exploits the strong dependence of the NV defect photoluminescence on magnetic fluctuations at the NV spin resonance frequency. As a proof of principle of the efficiency of the technique, the high tunability of synthetic antiferromagnets that host spin waves, is exploited to stabilize different spin textures. These AF textures ranging from domain walls, to exotic spin-spirals and AF skyrmions are imaged through this novel relaxometry technique.
Les matériaux antiferromagnétiques (AF) suscitent actuellement un intérêt considérable pour la conception de futurs dispositifs spintroniques à faible coût énergétique et ultra-rapides. Cependant, l’exploration de ces matériaux novateurs se heurte à des défis d’imagerie magnétique : la plupart des techniques conventionnelles de microscopie magnétique en espace réel ne peuvent pas sonder l'ordre AF aux échelles nanométriques, en raison de la compensation des moments magnétiques donnant lieu à des signaux magnétiques extrêmement faibles. Il s'agit d'un obstacle majeur à la compréhension fondamentale de l'ordre AF à l'échelle nanométrique et de sa réponse à des stimuli externes, tels que des courants polarisés en spin ou des champs électriques. Afin d’exploiter le potentiel des matériaux AF dans une nouvelle génération de dispositifs spintroniques, les capacités de contrôle et d'imagerie à l'échelle nanométrique, qui sont désormais courantes pour l’étude des matériaux ferromagnétiques, doivent être étendues aux matériaux AF. Nous prouvons dans cette thèse que la magnétométrie à balayage basée sur un défaut azote-lacune (NV) dans le diamant, convient parfaitement à l'imagerie d'ordres AF complexes à l'échelle nanométrique, sous conditions ambiantes.Un matériau prometteur pour la spintronique AF est le BiFeO3 (BFO), un multiferroïque opérant à température ambiante dans lequel l'ordre AF est intimement lié à l'ordre ferroélectrique via le couplage magnétoélectrique. La magnétométrie NV démontre ici sa capacité à imager l'ordre AF cycloïdal dans BFO en cartographiant le champ magnétique de fuite qu'il produit. Il permet également de déduire des grandeurs caractéristiques telles que la valeur du moment magnétique non compensé, mais aussi de visualiser en espace réel le lien intime entre les ordres ferroélectrique et AF. Afin que le BFO trouve sa place dans la conception de dispositifs spintroniques, les couches minces doivent être employées. L'effet de la contrainte épitaxiale sur l'ordre AF dans des couches minces de BFO est ici étudié. Il est montré que la contrainte et le contrôle électrique peuvent stabiliser une grande variété de textures de spin AF complexes dans les couches minces de BFO.Au delà d’imager le champ de fuite statique, nous montrons une nouvelle approche pour l'imagerie des textures AF qui consiste à cartographier le bruit magnétique qu'elles produisent localement plutôt que leurs champs magnétiques statiques. Cette technique exploite la forte dépendance de la photoluminescence du défaut NV sur les fluctuations magnétiques à la fréquence de résonance de spin du centre NV. Comme preuve de principe de l'efficacité de cette technique, les propriétés ajustables des antiferromagnétiques synthétiques qui hébergent des ondes de spins sont exploitées, pour stabiliser différentes textures de spin. Ces textures AF telles que les parois de domaine, les spirales de spin et les skyrmions AF sont imagées par cette technique nouvelle de relaxométrie.
Origine : Version validée par le jury (STAR)