Magnetic skyrmions in GdCo ferrimagnetic thin-films

Skyrmions magnétiques dans les couches minces ferrimagnétiques de GdCo Les skyrmions magnétiques sont des textures magnétiques chirales topologiques décrites comme des particules magnétiques. Les skyrmions peuvent être déplacés efficacement par des courant polarisés en spins, ce qui, combinés avec leur taille nanométrique, en fait des objets prometteurs, par exemple pour des dispositifs de stockage d'information de faible consommation, haute densité et à encodage et lecture rapide. Leur découverte expérimentale dans les films minces magnétiques en 2011 a été suivie par de nombreuses études dans une grande variété de matériaux magnétiques, de couches uniques ou multiples de matériaux ferromagnétiques, à des matériaux possédant de multiples sous-réseaux magnétiques. Dans cette thèse, leurs propriétés statiques et dynamiques sont explorées dans une famille précise de composés à double réseau magnétique : les couches minces ferrimagnétiques de Terres-Rares et Métaux de Transition (TRMT). Cette recherche se concentre sur les alliages de Gd et Co qui constituent deux sous réseaux magnétiques couplés antiferromagnétiquement. La procédure de fabrication sous forme de couches minces de quelques nanomètres aux compositions contrôlées en Gd et Co est présentée. Leurs propriétés magnétiques sont caractérisées expérimentalement ce qui permet en regard de modèles théoriques d'explorer les propriétés statiques des skyrmions stabilisés dans ces films. Par exemple, la stabilité des skyrmions est largement déterminée par la compétition entre les interactions magnétiques dans le film, elles-mêmes très sensible à l'intensité de l'aimantation. Celle-ci varie rapidement en température dans les couches ferrimagnétiques de GdCo, et peut même être parfaitement compensée, comme dans les matériaux antiferromagnétiques, à la température de compensation magnétique. Cette grande sensibilité en température permet d'explorer la compétition entre les différentes interactions magnétiques qui favorisent la stabilité des skyrmions, et d'en extraire les paramètres clefs. Les skyrmions ainsi observés présentent des diamètres allant de 400 nm au micromètre. La comparaison des diagrammes de phases expérimentaux, en champ magnétiques et température, avec des simulations micromagnétiques ainsi que des modèles analytiques présente des accords quantitatifs. De plus, les propriétés dynamiques des skyrmions propagés par couple de spin-orbite induit par des couches adjacentes de matériaux lourds tels que le Pt ou le Ta sont présentées. Le résultat principal obtenu se trouve dans la démonstration de la dépendance en taille de la vitesse des skyrmions. A faible densité de courant, un régime de dépiégeage, caractérisé par de faibles vitesses est observé. Il est suivi par un régime ou la vitesse des skyrmions est linéaire avec la densité de courant, présentant une mobilité qui augmente avec leur diamètre. Un désavantage majeur pour les dispositifs à base de skyrmions se trouve dans leur trajectoire défléchie, causée par leur topologie, qui empêche un déplacement rectiligne. Le régime linéaire présente une déflexion constante des skyrmions avec la densité de courant (ou la vitesse). Ces observations dans le régime linéaire sont en accord quantitatif avec un modèle présenté de skyrmion rigide. De plus, le renversement de l'angle de déflexion est observé d'une part et d'autre de la température de compensation angulaire (lorsque la densité de moment angulaire est compensée). Cette observation est l'une des caractéristiques des matériaux ferrimagnétiques, attendue des propriétés dynamiques des skyrmions. Cela confirme l'efficacité de l'exploration des propriétés statiques et dynamiques des skyrmions que permettent les composés ferrimagnétiques TRMT grâce à leurs propriétés remarquablement ajustables. Finalement, l'irradiation par sonde ionique focalisée d'Helium a permis de modifier finement les propriétés magnétiques de ces films minces de façon à stabiliser des skyrmions, les nucléer, et permettre leur propagation confinée.