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. |
Skyrmions, topological magnetic textures of size down to a few nm, are subjects of high interest due to their appealing properties. Skyrmions can be manipulated by an electric current with relatively low critical current densities, can be stabilized at room temperature, and thus present high potential regarding applications in spintronics for high-density and low-energy-cost memory, as well as novel computing methods (neuromorphic computing and reservoir computing).
Magnetic multilayer superlattices of the form [Pt/Co/Ta]×N represent a particularly promising platform for the study of topological magnetic textures like skyrmions, due to their strong perpendicular magnetic anisotropy, interfacial Dzyaloshinskii-Moriya interaction (DMI) and tunable structural parameters. The main objective of this thesis is to provide an in-depth experimental analysis of skyrmion formation, evolution, and stability in such systems, using advanced magnetic imaging techniques in transmission electron microscopy (TEM), particularly Fresnel Lorentz TEM (LTEM) and off-axis electron holography (EH), in combination with micromagnetic simulations and models.
After exposing the state of the art on skyrmion hosting materials, as well as two chapters dedicated to a description of the magnetic background and experimental methods used in this thesis, we present a study of stripe domains in [Pt/Co/Ta]×N. We investigated the correlation between multilayer thickness, controlled by the number of repetitions N in the [Pt/Co/Ta]×N series of samples, and the stripe domain width under zero external field, measured from LTEM images. This study mainly relies on the stripe model and is supported by micromagnetic simulations.
Further, we present magnetic phase diagrams as a function of applied (increasing and decreasing) magnetic field and temperature, obtained from LTEM experiments. Phase diagrams reveal the transitions between stripe domains, skyrmion lattices, and the saturated state. These transitions are interpreted within the skyrmionic bubble model, emphasizing the role of temperature-dependent magnetic parameters. The variation of stripe width at zero field with temperature also provides insight into the initial conditions that favor skyrmion nucleation.
Finally, by means of dedicated EH experiments, magnetic phase shift maps of Néel DWs and skyrmions were obtained and studied. Optimized experimental conditions allowed for the acquisition of high-resolution phase maps at the nanometer scale. The internal structure of a Néel-type skyrmion was imaged and compared to simulations. The transition from Néel stripe domains to a skyrmion lattice and then to isolated skyrmions was clearly captured, providing a detailed view of the magnetic texture reorganization under field modulation. Skyrmion lattice phase map and simulated one are also presented, as well as in-situ temperature holography studies, which provided additional insights. A significant increase in magnetic phase contrast was observed at lower temperatures, both in zero field and under an applied perpendicular field. Furthermore, heterogeneous skyrmion sizes were observed in the same region. These effects suggest that structural disorder and pinning possibly dominate over field-induced skyrmion size variation. Finally, estimated domain wall width was extracted directly from phase maps, in agreement with theoretical expectations for the system under study.
This thesis demonstrates the power of combining advanced TEM-based imaging techniques with micromagnetic modeling to probe and understand skyrmion nucleation in multilayer systems. The methodology developed here paves the way for future studies of skyrmion dynamics under applied currents via EH, a critical step toward the implementation of skyrmion-based memory and logic devices in spintronic technologies. |