Study of unconventional compensated spin structures and textures towards unmatched spintronics properties
Place : CEA Bat. 10.05 Room 445
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Abstract : In recent decades, the role of compensated magnets in the field of spintronics has shifted from a passive to more active one. This is due to the recent progress in harnessing the various beneficial and unique properties of compensated magnets, which include the vanishing net magnetization (robustness against perturbations by magnetic fields and production of no stray fields), ultrafast dynamics, and often large magneto-transport effects. Moreover, the sublattices with different magnetization orientations allow for novel combinations of symmetries and, in effect, for rich and often unexpected physical phenomena. In this thesis we first explore the magnetotransport properties of epitaxial films of Mn5Si3, which are a candidate material for altermagnets – a new class of compensated, collinear magnets with spin-split band structure. The global spatial symmetries of this material allow novel magnetotransport properties to emerge that were previously considered forbidden by the compensated magnetic ordering. Here, we study the unconventional anisotropy of these properties that arises from their intricate link to the crystal symmetries. We then shift focus to antiferromagnets, i.e. compensated magnets with spin-degenerate band structure, and their localized spin textures, namely antiferromagnetic skyrmions. These compensated spin textures have local symmetries that bring about numerous favorable properties. With the aid of atomistic simulations, we demonstrate how these local spin textures can be nucleated in a real antiferromagnet IrMn through imprinting from a ferromagnet. Finally, we discuss ferromagnetic resonance spin pumping – an experimental technique that allows studying the spintronic properties of compensated magnets and other magnetic materials beyond ferromagnets. We show preliminary results on probing magnetic phase transitions through non-linear spin fluctuations on thin films of PdNi showing complex magnetic behavior. The results presented in this thesis highlight the unique spintronic properties of compensated magnets that extend beyond those of conventional ferromagnets and can therefore adds to the growing support for their integration in a more active role the next generation spintronic devices.
Résumé : Dans le domaine de la spintronique, au cours des dernières décennies, les aimants compensés sont passés d’un rôle passif à un rôle plus actif. Les progrès récents ont en effet permis de tirer profit de l’ensemble des propriétés spécifiques de ces matériaux uniques. Ils sont insensibles aux champs magnétiques, n’en créent pas, possèdent une dynamique magnétique ultra-rapide et génèrent de forts effets de transport électronique dépendant du spin. Par ailleurs, la présence des deux sous réseaux de spins qui composent les aimants compensés permet de nouvelles combinaisons de symétries et, de fait, de nouveaux phénomènes physiques, riches et souvent inattendus. Dans cette thèse, nous avons exploré en premier lieu les propriétés de magnétotransport de films épitaxiés de l’aimant compensé Mn5Si3. Il s’agit d’un possible matériau dit ‘alter’magnétique – une nouvelle classe d’aimants compensés et colinéaires avec un décalage Zeeman de la structure de bande alternativement positif et négatif dans l’espace réciproque. La combinaison globale des symétries spatiales et temporelle de ce matériau permet l’émergence de nouvelles propriétés de magnétotransport que l’on pensait auparavant exclues pour les matériaux magnétiques compensés. Nous nous sommes focalisés sur l’étude de l’anisotropie non conventionnelle de ces propriétés, qui découle du lien complexe avec les symétries cristallines. Dans un deuxième temps, nous avons étudié les matériaux antiferromagnétiques, c’est-à-dire les aimants compensés avec une structure de bande dégénérée en spin. Plus spécifiquement, nous avons étudié leurs textures de spin, à savoir les skyrmions antiferromagnétiques. Ces textures de spin compensées présentent des symétries locales dans l’espace réel qui leur confèrent de nombreuses propriétés avantageuses par rapport à leurs analogues ferromagnétiques. À l’aide de simulations atomistiques, nous avons montré comment ces textures de spin locales peuvent être nucléées dans l’antiferromagnétique IrMn, par impression à partir d’un ferromagnétique. Enfin, nous avons utilisé une technique expérimentale, le pompage de spin, permettant d’étudier les propriétés spintroniques des aimants compensés et d’autres matériaux magnétiques au-delà des ferromagnétiques. Nous avons obtenu des résultats préliminaires sur l’étude des transitions de phase magnétiques à travers les fluctuations de spin non linéaires sur des films minces de PdNi montrant un comportement magnétique complexe. De manière générale, les résultats présentés dans cette thèse mettent en évidence des propriétés spintroniques uniques des aimants compensés qui vont au-delà de celles des ferromagnétiques conventionnels. Cette contribution ouvre des perspectives pour leur intégration dans les prochaines générations de dispositifs spintroniques.
Jury :
- M. Aurélien MANCHON – Professeur, Université Aix-Marseille
- M. Yoshichika OTANI – Full professor, Université de Tokyo
- M. Tomas JUNGWIRTH – Full professor, Académie des sciences tchèque et Université de Nottingham
- M. Richard EVANS – Associate professor, Université de York
- Mme. Stefania PIZZINI – Directrice de recherche, CNRS
- M. Jean-Philippe ATTANE – Professeur, Université Grenoble Alpes
Thesis supervisor :
M. Vincent BALTZ – Directeur de recherche, CNRS