Léo Berges

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.

Due to their non-trivial topology, skyrmions describe deflected trajectories, which hinders their straight propagation in nanotracks and can lead to their annihilation at the track edges. This deflection is caused by a gyrotropic force proportional to the topological charge and the angular momentum density of the host film. In this article, we present clear evidence of the reversal of the topological deflection angle of skyrmions with the sign of angular momentum density. We measured the skyrmion trajectories across the angular momentum compensation temperature (TAC) in GdCo thin films, a rare earth/transition metal ferrimagnetic alloy. The sample composition was used to engineer the skyrmion stability below and above the TAC. A refined comparison of their dynamical properties evidenced a reversal of the skyrmions deflection angle with the total angular momentum density. This reversal is a clear demonstration of the possibility of tuning the skyrmion deflection angle in ferrimagnetic materials and paves the way for deflection-free skyrmion devices.

Magnetic skyrmions are swirling magnetic textures that can be efficiently driven with spin-orbit torques with a deflected trajectory. However, pinning slows skyrmions down and alters their trajectory, which prevents a quantitative comparison to analytical models. Here, we study skyrmions driven by spin-orbit torques at room temperature in ferrimagnetic GdCo thin films, an amorphous material with low pinning. Above a sharp current depinning threshold, we observe a clearly linear velocity increase with current that extrapolates to zero and a constant deflection angle, reaching high velocities up to 200 m/s. The mobility increases and the depinning threshold current decreases with the skyrmion diameter, which we vary using an external magnetic field. An analytical model based on the Thiele equation quantitatively reproduces these findings with a single fitting parameter. This validates the linear flow regime description and shows, in particular, the important role of skyrmion size in its dynamics.

Rare-earth transition-metal ferrimagnets have two strongly coupled sublattices of distinct chemical nature, which give rise to complex and fast dynamics of great interest to spintronics. However, the dynamics of ferrimagnets remains less understood than ferromagnets. We measure the spin wave (SW) spectra of a GdFeCo film by Brillouin light scattering spectroscopy (BLS) across its compensation temperatures—temperatures at which either the sublattices' magnetizations or their angular moments cancel out, mimicking an antiferromagnet. We find two SW modes per wave vector with complex thermal dependencies, which cross at a field-dependent temperature. We develop an analytical model based on two sublattices corresponding to the rare earth and the transition metal, which reproduces quantitatively the SW spectra and their evolution with temperature and field. This validates the proposed energy and dynamical model of the ferrimagnet, and demonstrates the usefulness of BLS in the study of this promising class of materials.