Published January 29, 2019 | Version v1
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Engineering and dynamical control of interfacial properties in ultra-thin films to tune magnetic spin textures

Description

Control of interfacial magnetism has emerged to be of paramount importance for spintronics applications specially involving chiral magnetic structures called skyrmions. Skyrmions are envisaged to be the future information carriers owing to their solitonic properties. In heavy metal/ferromagnet/insulator heterostructures, skyrmions are stabilized by interfacial Dzyaloshinskii-Moriya interaction which is an antisymmetric exchange and competes with other interactions like symmetric exchange and magnetic anisotropy. In order to tune skyrmions, the interfacial magnetic properties need to be modulated. One of the energy efficient tools to maneuver interfacial magnetism is electric field effect. Voltage gating has been shown, in a number of studies since 2009, to locally and dynamically tune magnetic properties like interface anisotropy and saturation magnetization. However, its effect on interfacial Dzyaloshinskii-Moriya Interaction (DMI), which is crucial for the stability of magnetic skyrmions, has been challenging to achieve and has not been reported yet for ultrathin films.This thesis demonstrates an optimization of trilayer systems consisting of a heavy metal/ferromagnet/ oxide where skyrmions can be stabilized. In particular, I focussed on the Ta/FeCoB/TaOx system to nucleate skyrmions in the presence of very small out of plane magnetic field. Further, the different skyrmionic zones as a function of the FeCoB thickness and TaOx oxidation state are studied. We then show electric field induced modulation of interfacial DMI which forms the most important result of this thesis. We demonstrate 130% variation of DMI with electric field in Ta/FeCoB/TaOx trilayers through Brillouin Light Spectroscopy (BLS). Using polar Magneto-Optical-Kerr-Effect microscopy, we further show a monotonic variation of DMI and skyrmionic bubble size with electric field, with an unprecedented efficiency. Since the electric field acts mainly on the FeCoB/TaOx interface, this study also points at the existence of the Rashba DMI explaining its high sensitivity to an applied voltage. We anticipate through our observations that a sign reversal of DMI with electric field is possible, leading to a chirality switch. This dynamic manipulation of DMI establishes an additional degree of control to engineer programmable skyrmion based memory, logic or neuromorphic devices. (author)

Abstract (French)

Le controle du magnetisme aux interfaces s'est avere essentiel pour la spintronique et ses applications, en particulier celles basees sur des structures chirales de spin appelees skyrmions magnetiques. Ces skyrmions, decrits comme des solitons magnetiques, sont de potentiels vecteurs d'information. Dans des empilements ultraminces du type metal lourd/ferromagnetique/isolant, les skyrmions sont stabilises par une interaction d'echange antisymetrique d'interface appelee interaction de Dzyaloshinskii-Moriya (DMI); celle-ci entre en competition avec d'autres interactions telles que l'interaction d'echange symetrique ou l'anisotropie magnetique. Afin de controler ces skyrmions, les proprietes magnetiques aux interfaces doivent etre ajustees finement et modulees par une excitation exterieure. Le champ electrique s'est avere etre un outil efficace pour manipuler ces proprietes d'interface. Il a notamment ete montre dans un certain nombre d'etudes depuis 2009 qu'une difference de potentiel permet de modifier localement et de maniere dynamique des proprietes telles que l'anisotropie magneto-cristalline ou l'aimantation a saturation. Cependant, cet effet sur DMI, qu'il est crucial d'integrer pour les systemes avec skyrmions, n'avait pas ete observe pour les films ultraminces. Cette these presente tout d'abord une optimisation des systemes tricouches de type metal lourd/ferromagnetique/oxide dans lesquels peuvent exister des skyrmions. J'ai plus particulierement etudie le systeme Ta/FeCoB/TaOx qui permet de nucleer des skyrmions en presence d'un faible champ magnetique applique perpendiculairement au plan des couches. Une etude approfondie en fonction de l'epaisseur de FeCoB et de l'etat d'oxydation du TaOx a notamment ete menee, permettant ainsi d'identifier les differentes zones presentant des skyrmions. D'autre part, le resultat majeur de cette these est la demonstration de la modulation de DMI par un champ electrique dans une tricouche Ta/FeCoB/TaOx. Des mesures de spectroscopie Brillouin sous champ electrique ont montre une tres grande variation allant jusqu'a 130%. Puis, des observations complementaires en microscopie a effet Kerr magneto-optique ont permis de mesurer simultanement une variation monotone de DMI et de la taille des skyrmions en fonction du champ electrique avec une efficacite sans precedent. Puisque le champ electrique agit principalement sur l'interface entre le materiau ferromagnetique et l'oxyde (FeCoB/TaOx), cette etude indique l'existence d'une DMI de type Rashba, expliquant la forte sensibilite au champ electrique. Ces observations montrent egalement qu'un renversement du signe de l'IDM est possible, qui conduirait a une inversion de la chiralite des skyrmions. Cette manipulation dynamique de DMI permettrait de conferer un degre de controle supplementaire pour le developpement de memoires ou de dispositifs logiques ou neuromorphiques a base de skyrmions

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Original title (English)
Ingenierie et controle dynamique des proprietes interfaciales dans les films ultraminces pour ajuster les textures de spin magnetique

Publishing Information

Imprint Pagination
173 p.
Report number
FRCEA-TH--13730

INIS

Country of Publication
France
Country of Input or Organization
France
INIS RN
53069766
Subject category
S75: CONDENSED MATTER PHYSICS, SUPERCONDUCTIVITY AND SUPERFLUIDITY;
Resource subtype / Literary indicator
Thesis
Descriptors DEI
ANISOTROPY; ELECTRIC FIELDS; INTERFACES; MAGNETISM; MAGNETIZATION; SKYRME POTENTIAL; SOLITONS; THICKNESS; THIN FILMS; VALENCE
Descriptors DEC
DIMENSIONS; FILMS; NUCLEON-NUCLEON POTENTIAL; POTENTIALS; QUASI PARTICLES

Optional Information

Notes
155 refs.; Available from the INIS Liaison Officer for France, see the INIS website for current contact and E-mail addresses