romeo.juge

On Wednesday 29th of January at 13h30 Roméo JUGE from SPINTEC will defend his PHD entitled :

Exploring different facets of magnetic skyrmion nucleation and dynamics in ultra-thin films

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 January 20th at celine.conche@cea.fr or adriana-gabriela.stoenescu@cea.fr

Abstract :

Magnetic skyrmions are chiral magnetisation windings that can be pictured as minuscule circular magnetic domains bounded by chiral domain walls. Owing to their potential nanometre size and predicted efficient current-driven motion, magnetic skyrmions hold great promise as future information carriers in high-density non-volatile memory and logic applications. Their recent observation at room temperature in material stacks consisting of heavy metal/ferromagnet/non-magnet has lifted an important bottleneck towards the practical realisation of skyrmion-based devices. Following these early observations, the objective of this work is to tackle certain key attributes of magnetic skyrmions that are their nucleation, stability and current-driven motion, all at room temperature. The first results presented in this thesis deal with the stabilisation and nucleation of skyrmions in ultra-thin films (for a ferromagnetic thickness around 1 nm) by engineering of the interfacial magnetic properties and geometries. The nucleation of skyrmions in extended films, confined geometries, exchange-biased films and ion-irradiated films are presented. The second part of this work concerns the current-driven dynamics of magnetic skyrmions. In an ultra-thin Pt/Co/MgO film, we measure velocities up to 100 m/s for skyrmion sizes in the range of 100 nm. This study further highlights the skyrmion Hall effect, a hallmark of the skyrmion topology, which describes the deflection of a skyrmion trajectory from that imposed by the current. The angle of deflection is found to be dependent on the skyrmion velocity, in contrast with existing models. Combining analytical modelling and micromagnetic simulations, based on a thorough characterisation of the film properties, we find that this dependence on the velocity can be entirely attributed to pinning effects hindering the skyrmion motion. Finally, in the last part of this work, we investigate experimentally synthetic antiferromagnetic multilayers with vanishing magnetic moment. In such systems, magnetic skyrmions are expected to be driven along the current direction without skyrmion Hall effect, a prerequisite for applications. By optimising specific multilayers and using X-ray microscopy, we observe synthetic antiferromagnetic skyrmions at room temperature with sizes in the range of 100 nm. As their nucleation is somewhat challenging, a device is then designed to locally inject current through patterned tips. This allows to create and delete skyrmions in a controlled fashion using solely current, bringing them one step closer to applications.

Résumé :

Les skyrmions magnétiques sont des enroulements chiraux de l’aimantation que l’on peut visualiser comme de minuscules domaines magnétiques circulaires délimités par des parois de domaine chirales. En raison de leur taille potentiellement nanométrique et car on leur prédit un déplacement efficace sous courant, les skyrmions magnétiques sont devenus des candidats prometteurs pour transporter l’information dans des mémoires et des dispositifs logiques non-volatiles et à forte densité de stockage. Ils ont récemment été observés à température ambiante dans des empilements du type métal lourd/ferromagnétique/non-magnétique, franchissant une étape importante en vue de développer des dispositifs utilisant des skyrmions. Suivant ces premières observations, l’objectif de cette thèse est d’étudier certaines propriétés clés des skyrmions que sont leur nucléation, leur stabilité ainsi que leur déplacement sous courant, toutes à température ambiante. Les premiers résultats présentés portent sur la nucléation de skyrmions dans des films ultra-minces (pour une épaisseur de ferromagnétique de l’ordre de 1 nm) réalisée par ingénierie des propriétés magnétiques aux interfaces ainsi que de la géométrie des échantillons. La nucléation de skyrmions dans des films ultra-minces étendus, en géométrie confinée, dans des films polarisés par échange inter-couche puis dans des motifs définis par irradiation d’ions est présentée. La deuxième partie de ce travail concerne l’étude de la dynamique des skyrmions magnétiques sous courant. Dans un film ultra-mince de composition Pt/Co/MgO, on mesure des vitesses atteignant 100 m/s pour des tailles de skyrmions de l’ordre de 100 nm. Cette étude met également en lumière l’effet Hall de skyrmion, effet signature de leur topologie décrivant la déviation de la trajectoire d’un skyrmion par rapport à celle dictée par le courant. Nous trouvons que cette déviation dépend nettement de la vitesse des skyrmions, contrairement à ce que prédisent les modèles existants. En combinant modèle analytique et simulations micromagnétiques et en s’appuyant sur une caractérisation poussée des propriétés du film, nous trouvons que cette dépendance avec la vitesse peut être entièrement attribuée à des effets de piégeage qui entravent le déplacement des skyrmions. Enfin, la dernière partie de ce travail porte sur l’étude expérimentale de multi-couches antiferromagnétiques synthétiques, caractérisées par un moment magnétique net nul. Dans ces systèmes, on s’attend à ce que le déplacement des skyrmions s’effectue dans la direction du courant, c’est-à-dire sans effet Hall de skyrmion, une condition requise pour les applications. L’optimisation de multi-couches spécifiques permet l’observation en microscopie à rayons X de skyrmions antiferromagnétiques synthétiques de l’ordre de 100 nm. Puisque leur nucléation est délicate, un dispositif est par la suite conçu pour injecter localement du courant électrique à travers des pointes. Ce dispositif permet de créer et de supprimer des skyrmions de manière contrôlée en utilisant uniquement du courant, rapprochant ces skyrmions un peu plus des applications.