On Friday December 8th at 14:00, Joseba Urrestarazu (SPINTEC) will defend his PhD thesis entitled :
Strategies for the nucleation, electric control and detection of magnetic skyrmions for memory and computing applications
Place : Phelma-Minatec (hors murs CEA), amphi Z108
visioconference link : https://webconf.cea.fr/rodrigo.guedasgarcia/6KVDL3JS
If the link does not work, try with skype web App : https://webconf.cea.fr/rodrigo.guedasgarcia/6KVDL3JS?sl=1
or by phone +33 1 69 35 55 10 conf ID : 74615450
Abstract : In the realm of microelectronics, the demand for data storage and rapid computing capabilities presents a formidable challenge. Meeting these exponentially growing requirements needs innovative approaches. Spintronics and nanomagnetism emerge as an alternative operating at the nanoscale, offering potential solutions. In this context, the magnetic skyrmion is as a promising candidate for information storage. This particle-like circular magnetic entity shows great potential, particularly in an energy-conscious future. However, early observations of magnetic skyrmions in ferromagnetic materials revealed certain limitations regarding their stabilization, electrical manipulation and detection that must be addressed to unlock their full potential in future applications. This thesis tackles these challenges proposing strategies to stabilize skyrmion structures using alternative material systems and achieve their electrical detection with larger readout signals. A first proposition involves the use of synthetic antiferromagnets. Here, we perform time-resolved observations of skyrmion nucleation, which offer insights into the processes that govern the nucleation of these magnetic entities. Furthermore, we study the influence of x-rays on an exchange-biased material system, a factor that plays a significant role in stabilizing skyrmions. This facet of the research expands our knowledge of the external factors that can be leveraged to optimize the stability and performance of skyrmions. Transitioning from fundamental investigations to practical applications, the second part of this thesis focuses on device realization. Magnetic tunnel junctions (MTJs) serve as the foundational elements for magnetic memories. We experimentally demonstrate the electrical detection, voltage-induced nucleation and annihilation of a single skyrmion in an MTJ via operando magnetic microscopy. We investigate the manipulation of skyrmions within MTJs using external excitations, including both magnetic and electric fields. This exploration allows the dynamical control of the skyrmion behaviour within functional devices. Lastly, to complement these experimental findings, micromagnetic simulations are conducted, employing parameters derived from experimental data. These simulations corroborate our observations, affirming the feasibility of the voltage-controlled writing operations—a significant stride towards realizing low-power skyrmion-based technologies. Through a multidisciplinary approach, bridging simulations and experiment, these results contribute to unlock the full potential of skyrmions in the landscape of modern spintronics
titre : Stratégies de nucléation, contrôle électrique et de détection des skyrmions magnétiques pour des applications calcul et mémoire
Résumé : Dans le domaine de la microélectronique, la forte demande de stockage de données et de capacités de calcul rapide représente un formidable défi. Pour répondre à ces exigences, il est nécessaire d’adopter des approches innovantes. La spintronique et le nanomagnétisme, opérant à l’échelle nanométrique, apparaissent comme une alternative offrant des solutions potentielles. Dans ce contexte, le skyrmion magnétique est un candidat prometteur pour le stockage de l’information. Cette entité magnétique de forme circulaire, semblable à une particule, présente un grand potentiel. Cependant, les premières observations de skyrmions magnétiques dans des matériaux ferromagnétiques ont révélé certaines limitations concernant la stabilisation, la manipulation et la détection électrique qui doivent être résolues afin de libérer tout leur potentiel dans les applications futures. Cette thèse s’attaque à ces différents défis, en proposant des stratégies pour stabiliser les skyrmions en utilisant des systèmes de matériaux alternatifs. Une première proposition consiste à utiliser des antiferromagnétiques synthétiques. Ici, nous avons effectué des observations de l’´evolution dans le temps de la nucléation des skyrmions, qui offrent des aperçus sur les processus qui gouvernent la nucléation de ces entités magnétiques. En outre, nous avons étudié l’influence des rayons X sur un système de matériaux `a biais d’échange, un facteur qui joue un rôle important dans la stabilisation des skyrmions. Cette facette de la recherche élargit notre connaissance des facteurs externes qui peuvent être exploités pour optimiser la stabilité et la performance des structures skyrmioniques. La deuxième partie de cette thèse se concentre sur la réalisation de dispositifs, passant de la recherche fondamentale aux applications pratiques. Les jonctions tunnel magnétiques (MTJ) servent d’éléments fondamentaux pour les mémoires magnétiques. Nous avons démontré expérimentalement la détection électrique, la nucléation induite par la tension et l’annihilation d’un skyrmion unique dans une MTJ par des expériences de microscopie magnétique operando. Nous avons étudié la manipulation des skyrmions dans les MTJ à l’aide d’excitations externes, tels que des champs magnétiques et électriques. Cette exploration permet le contrôle du comportement dynamique des skyrmions dans des dispositifs fonctionnels. Enfin, pour compléter ces résultats expérimentaux, des simulations micromagnétiques sont réalisées en utilisant des paramètres issus des données expérimentales. Ces simulations corroborent nos observations, affirmant la faisabilité des opérations d’écriture contrôlées par la tension, un pas important vers la réalisation de technologies à base de skyrmion à faible consommation d’énergie. Grâce à une approche multidisciplinaire, associant simulation et expérimentation, ce travail contribue à démontrer tout le potentiel des skyrmions dans le paysage de la spintronique moderne.
Jury :
- José Luis PRIETO MARTIN, PROFESSEUR, Universidad Politécnica de Madrid, Rapporteur
- Liza HERRERA DIEZ, CHARGEE DE RECHERCHE HDR, CNRS Délégation Ile de France Gif sur Yvette, Rapporteure
- Jean-Philippe ATTANE, PROFESSEUR DES UNIVERSITES, Université Grenoble Alpes, Examinateur
- Stefania PIZZINI, DIRECTRICE DE RECHERCHE, CNRS Délégation Alpes, Examinatrice
Thesis supervisors : Olivier Boulle
