Magnetic skyrmions in GdCo ferrimagnetic thin-films
Skyrmions magnétiques dans les couches minces ferrimagnétiques de GdCo
Résumé
Magnetic skyrmions are chiral magnetic textures with topological properties that allow their description as particle like magnetic objects. Skyrmions can be displaced efficiently by spin polarised electrical currents, which combined to their nanometer scale, make them very promising objects for instance for low power, high density and fast reading and writing magnetic data storage devices. Their experimental discovery in magnetic thin-film in 2011 has been followed in recent years by their extensive study in many type of magnetic materials, from single or multi-layers of ferromagnetic materials to multi magnetic lattices materials. In this thesis their statics and dynamical properties are explored in a specific type of multi magnetic lattices materials, ferrimagnets of the Rare-Earth / Transition Metal family. Focus is made on ferrimagnets composed of Gd and Co, which constitute two magnetic lattices antiferromagnetically coupled. The fabrication process of thin films of few nanometers, with controlled composition of Gd and Co is described. Their magnetic properties are characterised experimentally and combined with theoretical models to explore the statics properties of skyrmions hosted in these films. For instance, the stability of skyrmions is greatly determined by the competition between magnetic interactions, where the strength of the magnetisation is a key parameter. The magnetisation in GdCo ferrimagnets varies rapidly with temperature and can even be completely compensated, as in antiferromagnets, at the magnetic compensation temperature. This great tunability allowed us to explore the competition between magnetic interactions that favours skyrmion stability and identify its key parameters. Skyrmions with sizes ranging from sub-400 nm to um in diameters were observed. Micromagnetic simulations as well as analytical models are compared to the experimentally determined temperature and magnetic field phase diagrams of skyrmions, with quantitative agreement. The dynamical properties of skyrmions are studied when propagated by current induced spin orbit torques by adjacent heavy metal layers of Pt and Ta. The major result is the experimental evidence of the skyrmion velocity dependence with size. At low current density, a depinning regime characterised by low velocities is evidenced. It is followed by a regime where the skyrmion velocity is linear with current density and a mobility scaled by the skyrmion size. A major disadvantage for applications is the topologically induced deflected motion of skyrmions, which prevents their straight line displacement. The skyrmion deflection angle is observed to be constant with current density (or velocity) in the linear regime. Observations in the linear regime are accounted quantitatively by a rigid skyrmion model. Furthermore, the reversal of the skyrmion deflection angle was observed by crossing the angular compensation temperature (where the angular momentum density is compensated ). This shows one of the key specificity of ferrimagnets for skyrmion dynamics. This further demonstrates the efficient exploration of static and dynamical properties of skyrmions enabled by the outstanding tunability of RETM ferrimagnets. Finally, using He-focused ion beam irradiation, a fine tuning of the thin films magnetic properties allowed for skyrmion stabilisation, nucleation and confined propagation.
Les skyrmions magnétiques sont des textures magnétiques chirales topologiques décrites comme des particules magnétiques. Les skyrmions peuvent être déplacés efficacement par des courant polarisés en spins, ce qui, combinés avec leur taille nanométrique, en fait des objets prometteurs, par exemple pour des dispositifs de stockage d'information de faible consommation, haute densité et à encodage et lecture rapide. Leur découverte expérimentale dans les films minces magnétiques en 2011 a été suivie par de nombreuses études dans une grande variété de matériaux magnétiques, de couches uniques ou multiples de matériaux ferromagnétiques, à des matériaux possédant de multiples sous-réseaux magnétiques. Dans cette thèse, leurs propriétés statiques et dynamiques sont explorées dans une famille précise de composés à double réseau magnétique : les couches minces ferrimagnétiques de Terres-Rares et Métaux de Transition (TRMT). Cette recherche se concentre sur les alliages de Gd et Co qui constituent deux sous réseaux magnétiques couplés antiferromagnétiquement. La procédure de fabrication sous forme de couches minces de quelques nanomètres aux compositions contrôlées en Gd et Co est présentée. Leurs propriétés magnétiques sont caractérisées expérimentalement ce qui permet en regard de modèles théoriques d'explorer les propriétés statiques des skyrmions stabilisés dans ces films. Par exemple, la stabilité des skyrmions est largement déterminée par la compétition entre les interactions magnétiques dans le film, elles-mêmes très sensible à l'intensité de l'aimantation. Celle-ci varie rapidement en température dans les couches ferrimagnétiques de GdCo, et peut même être parfaitement compensée, comme dans les matériaux antiferromagnétiques, à la température de compensation magnétique. Cette grande sensibilité en température permet d'explorer la compétition entre les différentes interactions magnétiques qui favorisent la stabilité des skyrmions, et d'en extraire les paramètres clefs. Les skyrmions ainsi observés présentent des diamètres allant de 400 nm au micromètre. La comparaison des diagrammes de phases expérimentaux, en champ magnétiques et température, avec des simulations micromagnétiques ainsi que des modèles analytiques présente des accords quantitatifs. De plus, les propriétés dynamiques des skyrmions propagés par couple de spin-orbite induit par des couches adjacentes de matériaux lourds tels que le Pt ou le Ta sont présentées. Le résultat principal obtenu se trouve dans la démonstration de la dépendance en taille de la vitesse des skyrmions. A faible densité de courant, un régime de dépiégeage, caractérisé par de faibles vitesses est observé. Il est suivi par un régime ou la vitesse des skyrmions est linéaire avec la densité de courant, présentant une mobilité qui augmente avec leur diamètre. Un désavantage majeur pour les dispositifs à base de skyrmions se trouve dans leur trajectoire défléchie, causée par leur topologie, qui empêche un déplacement rectiligne. Le régime linéaire présente une déflexion constante des skyrmions avec la densité de courant (ou la vitesse). Ces observations dans le régime linéaire sont en accord quantitatif avec un modèle présenté de skyrmion rigide. De plus, le renversement de l'angle de déflexion est observé d'une part et d'autre de la température de compensation angulaire (lorsque la densité de moment angulaire est compensée). Cette observation est l'une des caractéristiques des matériaux ferrimagnétiques, attendue des propriétés dynamiques des skyrmions. Cela confirme l'efficacité de l'exploration des propriétés statiques et dynamiques des skyrmions que permettent les composés ferrimagnétiques TRMT grâce à leurs propriétés remarquablement ajustables. Finalement, l'irradiation par sonde ionique focalisée d'Helium a permis de modifier finement les propriétés magnétiques de ces films minces de façon à stabiliser des skyrmions, les nucléer, et permettre leur propagation confinée.
Origine : Version validée par le jury (STAR)