Crafting magnetic skyrmions at room temperature : size, stability and dynamics in multilayers

Élaboration de skyrmions magnétiques à température ambiante : taille, stabilité et dynamique dans les multicouches Les skyrmions magnétiques sont des enroulements bidimensionnels et nanométriques de la configuration de spin, pouvant être stabilisés dans certains matériaux magnétiques soumis à l’interaction d’échange antisymétrique Dzyaloshinskii-Moriya. Ils présentent une topologie non-triviale et s’annoncent peut-être comme étant les plus petites configurations magnétiques pouvant être réalisées. Très récemment, des skyrmions magnétiques ont pu être stabilisés à température ambiante grâce à la conception de multicouches magnétiques brisant la symétrie d’inversion selon la direction verticale. Suite à cette avancée, l’objectif central de cette thèse est la compréhension et la maîtrise des multiples propriétés physiques des skyrmions hébergés dans ces systèmes multicouches. Pour aborder cet objectif, un modèle original est décrit puis employé, permettant la prédiction des profils adoptés par les skyrmions multicouches. Ce modèle numérique est très générique, n’utilisant que la symétrie cylindrique des skyrmions afin de simplifier la détermination des interactions magnétostatiques. Ce modèle est ensuite étendu afin de pouvoir approximer la stabilité thermique des skyrmions, ce qui constitue un élément clé dans leur obtention expérimentale. Une seconde dimension de ce travail consiste en l’étude expérimentale de la manipulation électrique des skyrmions multicouches, démontrant la possibilité de trois fonctionnalités centrales que sont leur nucléation par courants locaux, leur déplacement sous courant de spin et leur détection électrique individuelle par tension transverse. Le troisième aspect de ma thèse est l’étude des propriétés physiques influençant le déplacement des skyrmions dans les multicouches magnétiques. Un comportement d’ancrage sur des défauts est mis en évidence expérimentalement et est analysé à l’aide d’une modélisation micromagnétique. Un des résultats importants de ce travail est aussi la prédiction d’une chiralité hybride dans les configurations magnétiques de certaines multicouches, qui est ensuite démontrée expérimentalement par des mesures au synchrotron. Les conséquences attendues de cette chiralité hybride sur le déplacement des skyrmions sont étudiées pour permettre l’optimisation des multicouches, aboutissant à l’observation expérimentale de la propagation de skyrmions de 50 nm de rayon à des vitesses atteignant environ 40 m/s. La dernière partie de cette thèse vise à mettre à profit ces avancées théoriques et expérimentales afin de parvenir à réduire la taille des skyrmions à température ambiante. Après avoir analysé l’impact des interactions dipolaires sur la stabilité des skyrmions, il est entrepris d’optimiser les matériaux et la périodicité des couches. Je m’intéresse aussi à la conception expérimentale de textures magnétiques dont l’aimantation est compensée au sein de structures multicouches appelées antiferromagnétiques synthétiques, dont je montre qu’elles peuvent héberger des skyrmions antiferromagnétiques à température ambiante. Ce résultat final ouvre de nouvelles perspectives vers l’obtention de skyrmions à la fois mesurant moins de 10 nm et très mobiles, qui pourraient être utilisés dans la conception de composants de calcul et de stockage d’information plus compacts et plus efficaces.