On Wednesday 16th of October at 14h00 Mohamed Ali NSIBI, will defend his thesis entitled :

Asymmetric magnetic domain walls motion in a two-dimensional geometry: causes and effects

Place : CEA 17 rue des Martyrs, bat 1005 room 445 (persons who do not have a CEA badge must request an entry authorization sufficiently in advance, before October 7th at sabrina.megias@cea.fr,celine.conche@cea.fr or gilles.gaudine@cea.fr

Abstract :

The study of the current-induced magnetic domain walls motion has attracted a lot of interest since the report of their large velocities of motion in thin layers with structural inversion asymmetry (SIA).

This interest comes from their high potential for low power consumption functionalities in cache and main memories applications. The SIA induces two mechanisms whose combined action allows to drive efficiently the domain walls. The two mechanisms are the chiral energy term, called the Dzyaloshinskii-Moriya interaction (DMI), and the spin-orbit torques (SOT). This model is still incomplete since it does not explain several experimental results. In addition, a chiral dissipation term called the chiral damping, also induced by SIA, has recently been proposed. However, its effect on current-induced domain wall motion has not been studied.

The objective of this work was to bring a more detailed understanding of the interactions involved in the domain wall motion. To that end, I have studied the domain wall motion in a non- collinear geometry with respect to the current, in materials with different SIA (Pt/Co/Pt and Pt/Co/AlOx). This motion has been found to be asymmetric. It illustrates the interplay between chiral energy and chiral dissipation in current-induced domain wall motion in weak SIA materials. In large SIA materials, the DMI and SOT model, even in the flow regime of motion, cannot explain this asymmetry.

I have also evidenced that the asymmetric non-collinear domain wall motion induces a well-defined deflection of the skyrmion bubbles. This is the first observation of the extrinsic skyrmion Hall effect.

The results of this thesis contribute to the understanding of the physical mechanisms behind domain wall and skyrmion motion in ultrathin layers by evidencing supplementary effects from SIA.

Key words: magnetic domain wall, spin-orbit torques, Dzyaloshinskii-Moriya interaction, Chiral Damping, magnetic skyrmion bubbles, domain wall motion, Kerr microscopy, the skyrmion Hall effect, magnetic memory devices, spintronics

Résumé :

L’étude du déplacement par le courant électrique des parois de domaine magnétique a généré beaucoup d’intérêt depuis l’observation de leurs importantes vitesses de déplacement dans des multicouches ayant une asymétrie d’inversion verticale (SIA).

Cet intérêt se justifie par leur fort potentiel pour de nouvelles applications à basse consommation d’énergie en mémoire cache ou mémoires centrale. L’inversion de symétrie (SIA) induit deux mécanismes dont l’action conjointe permet de déplacer efficacement les parois de domaines. Il s’agit d’une contribution énergétique chirale, appelée l’interaction Dzyaloshinskii-Moriya (DMI), et des couples de spin-orbite (SOT).

Ce modèle reste incomplet vu qu’il n’explique pas plusieurs résultats expérimentaux. De plus, une contribution dissipative chirale appelée l’amortissement anisotrope, également induite par la SIA, a été proposée récemment et dont le rôle, sous courant, n’as pas encore été étudié.

Le but de ce travail a été d’amener une connaissance détaillée des différentes interactions en jeu dans la dynamique des parois de domaine. Pour cela, j’ai étudié la propagation de parois sous courant dans une géométrie non colinéaire. Cette étude a été réalisée dans des systèmes ayant des SIA différentes (Pt/Co/Pt et Pt/Co/AlOx). Dans cette géométrie, j’ai observé l’asymétrie du déplacement qui illustre la compétition entre les contributions chirales d’énergie et d’amortissement dans des multicouches à faible SIA. Quant aux multicouches à forte SIA, l’asymétrie ne peut être expliquée par l’action conjointe de DMI et SOT même dans le régime à forte mobilité. Une des conséquences de ce type de déplacement est de contribuer à la déviation des bulles de skyrmion en mouvement. Nous avons appelé cet effet l’effet Hall extrinsèque des skyrmions.

En mettant en évidence de nouveaux effets induits par SIA, les résultats de cette thèse contribuent à une meilleur compréhension des mécanismes intervenant dans les déplacements des parois et des skyrmions sous courant dans les multicouches magnétiques.

Mots clés : parois de domaines magnétiques, couples de spin-orbite, interaction Dzyaloshinskii- Moriya, amortissement magnétique anisotrope, skyrmions, déplacement des parois de domaines magnétiques, microscopie à effet Kerr, mémoires magnétiques, électronique de spin.