Study of skyrmions in ferromagnetic metallic superlattices using in situ Lorentz magnetic methods

Etude des skyrmions dans des super-réseaux ferromagnétiques métalliques à l'aide de méthodes d'imagerie magnétique en microsopie de Lorentz in-situ Les skyrmions, textures magnétiques topologiques de taille nanométrique, suscitent un grand intérêt en recherche ces dernières années. Manipulables par des courants électriques de faible intensité, stabilisables à température ambiante, ils présentent un potentiel majeur pour les applications en spintronique, notamment dans pour les mémoires à haute densité, basse consommation, ou les pour les nouveaux outils de calculs (neuromorphique, réservoir).Les super-réseaux magnétiques multicouches [Pt/Co/Ta]×N constituent des matériaux idéaux pour l'étude de ces objets, grâce à leur anisotropie magnétique perpendiculaire élevée, leur interaction de Dzyaloshinskii-Moriya interfaciale (DMI), et la possibilité d'ajuster leurs propriétés structurales. L'objectif principal de cette thèse est d'offrir une analyse expérimentale approfondie de la formation, l'évolution et la stabilité des skyrmions dans ces systèmes, en combinant des techniques avancées d'imagerie magnétique en microscopie électronique en transmission (MET), notamment la MET Lorentz (LTEM) et l'holographie électronique hors-axe (off-axis EH), avec des simulations micromagnétiques.Après une présentation de l'état de l'art sur les matériaux à skyrmions, et des chapitres consacrés au contexte magnétique et aux méthodes expérimentales utilisées, une première étude est dédiée aux domaines en bandes (" stripes ") dans les multicouches [Pt/Co/Ta]×N. La corrélation entre l'épaisseur des multicouches (via le nombre de répétitions N) et la largeur des stripes à champ nul est étudiée par imagerie LTEM, et modélisée avec le modèle de stripes, en accord avec des simulations micromagnétiques.Des diagrammes de phase magnétiques en fonction du champ magnétique appliqué et de la température sont ensuite présentés, construits à partir d'expériences in-situ en LTEM. Ces diagrammes révèlent les transitions entre domaines, réseaux de skyrmions et état saturé, interprétées à l'aide du modèle de bulle. La variation de la largeur des stripes en fonction de la température permet de mieux comprendre les conditions initiales de nucléation des skyrmions.Enfin, des expériences d'holographie électronique ont permis d'obtenir des cartes de phase magnétique à haute résolution spatiale. La structure interne d'un skyrmion de type Néel et son at été imagée et comparée aux simulations, révélant une bonne concordance. De plus, la transition des stripes vers un réseau de skyrmions puis vers des skyrmions isolés a été capturée, montrant la réorganisation progressive des textures magnétiques sous champ. Les images de phase magnétique expérimentales et simulées de réseaux de skyrmions ont également été comparées. Alors que les simulations prédisent un réseau hexagonal, les images expérimentales montrent des structures plus désordonnées, possiblement dues au désordre structurel local (pinning). Des études en température ont montré une augmentation du contraste magnétique à basse température, en champ nul comme en champ appliqué, ainsi qu'une hétérogénéité des tailles de skyrmions à 247 K dans une même région. Ces observations suggèrent un état métastable figé. Enfin, une méthode d'estimation directe de la largeur de paroi de domaine à partir des cartes de phase a été développée, en bon accord avec les attentes théoriques.Ce travail met en lumière l'intérêt de combiner les techniques d'imagerie MET avancée (LTEM, EH) et la modélisation micromagnétique pour sonder en profondeur les mécanismes de nucléation et de stabilisation des skyrmions dans les multicouches. La méthodologie développée ouvre la voie à l'étude de la dynamique des skyrmions dans de tels systèmes par holographie et par injection de courant, étape clé pour tendre vers leur intégration dans des technologies de spintroniques.