Exploring non-collinear spin structures in thin magnetic films with Nitrogen-Vacancy Scanning magnetometry / Isabell Gross ; sous la direction de Jean-François Roch

Date :

Type : Livre / Book

Type : Thèse / Thesis

Langue / Language : anglais / English

Films magnétiques

Skyrme, Modèle de

Matériaux multiferroïques

Magnétométrie

Roch, Jean-François (19..-....) (Directeur de thèse / thesis advisor)

Mougin, Alexandra (Président du jury de soutenance / praeses)

Klein, Olivier (19..-.... ; physicien) (Rapporteur de la thèse / thesis reporter)

Vogel, Jan (19..-.... ; physicien) (Rapporteur de la thèse / thesis reporter)

Cros, Vincent (19..-.... ; physicien) (Membre du jury / opponent)

Van der Sar , Toeno (19..-....) (Membre du jury / opponent)

Jacques, Vincent (1983-.... ; physicien en physique des solides) (Membre du jury / opponent)

Université Paris-Saclay (2015-2019) (Organisme de soutenance / degree-grantor)

École doctorale Ondes et matière (Orsay, Essonne ; 2015-....) (Ecole doctorale associée à la thèse / doctoral school)

École normale supérieure Paris-Saclay (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 1912-....) (Autre partenaire associé à la thèse / thesis associated third party)

Laboratoire Aimé Cotton (Orsay, Essonne) (Laboratoire associé à la thèse / thesis associated laboratory)

Résumé / Abstract : Les films magnétiques ultra-minces font partie intégrante des technologies d'aujourd'hui, comme l'illustre leur omniprésence dans de nombreuses applications courantes telles que les disques durs. A cause de leurs dimensions réduites, les propriétés magnétiques spécifiques à ces échelles conduisent à la formation de structures de spin exotiques et de taille nanométrique. Pour explorer ces matériaux en détail, nous utilisons un magnétomètre à balayage développé dans notre laboratoire et qui est basé sur un défaut de spin unique dans le diamant. Ce capteur non-invasif peut mesurer à l'échelle nanométrique à la fois le champ magnétique et la topographie, et fonctionne aux conditions ambiantes. En développant une méthode d'évaluation originale du champ magnétique, nous déterminons la structure interne de parois de domaines ferromagnétiques et quantifions la force de l'interaction Dzyaloshinskii-Moriya dans des hétérostructures à couches minces. Ensuite, nous mettons en évidence le rôle clé du désordre et de l'histoire magnétique sur la stabilisation des skyrmions dans un échantillon de bicouche magnétique. Enfin, nous visualisons dans l'espace réel une spirale de spin de 70 nm de période dans le matériau multiferroïque BiFeO3 et nous manipulons sa direction de propagation avec des champs électriques. Les connaissances tirées de ces études aideront à exploiter au maximum les capacités des matériaux magnétiques à couche ultra-mince et à les mettre en œuvre dans de nouveaux dispositifs de spintronique.

Résumé / Abstract : Thin film magnetic materials are an integral part of today’s technology and widespread applications like the magnetic hard drive disk mirror their potential. Due to their reduced dimensions, size-specific magnetic properties induce the formation of nanoscale, exotic spin structures. To explore such materials in detail, we utilize a home-built nitrogen vacancy scanning magnetometer, based on a single defect in diamond. This non-perturbative probe combines nanoscale magnetic field- and spatial resolution and works under ambient conditions. We develop a new way to determine the inner structure of magnetic domain walls and quantify the strength of the Dzyaloshinskii-Moriya interaction in thin film heterostructures. We reveal the key role of disorder and magnetic history on the stabilization of skyrmions in a magnetic bilayer sample. Finally, we reveal the 70nm-pitch spin spiral in the multiferroic bismuth ferrite in real space and manipulate its propagation direction with electric fields. The insight gained from these studies will help to exploit the full capacity of thin film magnetic materials for spintronic application.