Soutenance de thèse – William Bouckaert

Le jeudi 3 décembre à 14h (auditorium TRT), William Bouckaert  soutiendra sa thèse intitulée « Rôle des défauts topographiques artificiels et des champs magnétiques planaires dans la nucléation et la propagation des skyrmions magnétiques », préparée sous la direction de Nicolas Reyren et Vincent Cros. 

Membres du jury de thèse :
Alexandra Mougin, Directrice de recherche CNRS, examinatrice et président du jury
Mohamed Belmeguenai, Professeur, LSPM, Université Sorbonne Paris Nord, rapporteur
Olivier Boulle, Chargé de recherche CNRS, SPINTEC, rapporteur
Daria Gusakova, Chargée de recherche CNRS, SPINTEC, examinatrice
Mathieu Mivelle, Chargé de recherche CNRS, INSP, Sorbonne Université, invité

Résume :

Les skyrmions magnétiques sont des textures de spin topologiques. Il s’agit d’arrangements métastables de l’aimantation dans un matériau ferromagnétique. Ces derniers sont stabilisés par une compétition de plusieurs interactions micromagnétiques, notamment l’interaction Dzyaloshinskii-Moriya. Cette dernière favorise une chiralité, c’est-à-dire un sens de rotation privilégié de l’aimantation. De nombreux travaux au Laboratoire Albert Fert ont déjà permis de stabiliser de telles textures par un réglage fin des couches voisines du matériau ferromagnétique et du nombre de répétitions de cet empilement. Le déplacement par courant électrique de telles structures a aussi été rendu possible grâce au fort couplage spin-orbite, qui permet la conversion d’un courant de charge en courant de spin.

Un de mes objectifs a été l’étude des mécanismes physiques à l’œuvre dans la nucléation des skyrmions. Pour ce faire, de nouveaux types de défauts topographiques dans notre piste à skyrmions ont été conçus : premièrement, par croissance assistée par faisceau d’électrons (FEBID) de plots sur le substrat, avant dépôt de la multicouche ; deuxièmement, par gravure par faisceau d’ions focalisés (FIB) de trous directement à travers la multicouche. Ces sites permettent de régler quantitativement le seuil de courant de nucléation. Des simulations COMSOL ont permis de comprendre l’impact de leurs dimensions sur la répartition de la densité de courant responsable de la nucléation.

Nous avons également montré qu’un champ magnétique externe dans le plan ajoute un important degré de liberté sur la probabilité de nucléation. Des simulations MuMax3 ont permis de comprendre les mécanismes impliqués dans cette dépendance et de la relier au rôle du couple spin-orbite (SOT) de type amortissement (DL).

Un autre axe important de ma thèse a été l’étude du rôle de la composante de type champ du couple spin-orbite, et plus largement l’effet d’un champ magnétique externe dans le plan sur la dynamique des skyrmions et des parois de domaine. Un champ parallèle à la densité de courant a montré un faible impact sur la dynamique des skyrmions, tandis qu’un champ perpendiculaire au courant a montré un fort impact à la fois sur l’amplitude et la direction de leur vitesse, modifiant ainsi l’angle de Hall des skyrmions (SkHA). Les résultats ont montré que cette dépendance variait avec la densité de courant. La vitesse des parois de domaine est encore plus dépendante d’un champ magnétique transverse.

Des simulations MuMax3 ont permis d’étudier ces effets. Nous avons pu observer leur origine et reproduire qualitativement les dépendances de la vitesse des skyrmions, soulignant une réorganisation de leur texture interne dans les trois dimensions de l’espace. Ces simulations ont également permis d’étudier la forte dépendance entre la vitesse des parois de domaine et le champ transverse externe et de la relier à la composante DL du SOT.

Le contrôle du déplacement des skyrmions a été implémenté d’une seconde manière : les techniques FIB et FEBID ont permis de déposer une ligne sur le substrat, sous la multicouche, ou d’en creuser une à travers la multicouche, parallèlement au courant, permettant de guider les skyrmions. Les deux techniques permettent de réduire, voire supprimer, l’impact du SkHA. Ce dernier est responsable de la déflexion de leur trajectoire jusqu’au bord de la piste, menant à leur destruction et limitant ainsi leurs applications dans des composants informatiques.

Enfin, une étude de la conductivité thermique de plusieurs substrats a été menée. Nous avons pu démontrer qu’un substrat de Si-HR permet, via une meilleure conductivité thermique, d’utiliser une plus grande densité de courant pour le déplacement des skyrmions avant une nucléation généralisée dans la piste, et donc d’atteindre une vitesse de skyrmion record dans cette multicouche proche de 150 m/s.