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Doctorant (H/F) en spintronique sur les skyrmions magnétiques

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Informations générales

Référence : UMR8191-OLIBOU-013
Lieu de travail : GRENOBLE
Date de publication : vendredi 4 septembre 2020
Nom du responsable scientifique : Olivier BOULLE
Type de contrat : CDD Doctorant/Contrat doctoral
Durée du contrat : 36 mois
Date de début de la thèse : 1 novembre 2020
Quotité de travail : Temps complet
Rémunération : 2 135,00 € brut mensuel

Description du sujet de thèse

La découverte récente de structures magnétiques de taille nanométrique appelées skyrmions magnétiques a ouvert une nouvelle voie pour manipuler l'aimantation à l'échelle nanométrique [1,2]. Les skyrmions magnétiques se caractérisent par une structure de spin chirale et topologiquement non triviale, c'est-à-dire que leur texture d'aimantation ne peut pas être transformée de manière continue vers l'état uniforme sans entraîner une singularité (voir figure 1). Les skyrmions peuvent également être manipulés par des courants électriques dans le plan, ce qui a conduit à de nouveaux concepts de mémoires magnétiques non volatiles et de dispositifs logiques où les skyrmions dans des nanopistes codent d'information. La taille nanométrique des skyrmions, combinée à la faible densité de courant nécessaire pour induire leur mouvement, ouvre la voie à des dispositifs avec une combinaison sans précédent de haute densité de stockage, de grande rapidité d'exécution et de faible consommation d'énergie.
Bien qu'ils ont été prédits théoriquement à la fin des années 80, les skyrmions magnétiques ont été observés pour la première fois très récemment (2009) dans des films minces dans lesquelles la structure cristalline est caractérisée par l'absence de symétrie d'inversion, tel que MnSi, FeCoSi, FeGe puis dans des films ultraminces de Fe et de PdFe sur des substrats d'iridium[2]. L'origine des skyrmions magnétiques dans ces films est la présence d'un terme d'énergie d'échange supplémentaire dénommé interaction Dzyaloshinskii-Moriya (DM) qui tend à faire tourner l'aimantation autour d'un vecteur caractéristique D et est à l'origine de la formation de skyrmions magnétiques. Cependant, lors de ces premières observations, les skyrmions magnétiques dans les matériaux étudiés n'étaient stables qu'à basse température, ce qui limitait fortement leurs applications, et leur stabilisation nécessitait la présence d'un champ magnétique externe, qui est compliqué à intégrer dans un dispositif. Par ailleurs, les films ultraminces épitaxiés utilisés étaient déposés par épitaxie à jet moléculaire, technique qui est difficile à utiliser dans le cadre de contraintes industrielles.
Récemment, des skyrmions magnétiques ont été observés à température ambiante dans des films minces ultrafins pulvérisés, ce qui constitue un premier pas vers la réalisation pratique de dispositifs basés sur la logique et la mémoire skyrmion. En particulier, Spintec a démontré des skyrmions magnétiques à température ambiante de taille de l'ordre de la 100 nm dans des nanostructures ultra-minces de Pt/Co/MgO à champ magnétique externe nul [3] (voir Fig.1) ainsi que leur manipulation par des courants électriques.
L'objectif de la thèse sera de faire progresser les connaissances fondamentales en vue d'applications technologiques pour la mémoire et la logique. En particulier, il s'agira de développer des systèmes de matériaux nouveaux et inexplorés pour obtenir des skyrmions à l'échelle nm stables à température ambiante et permettre leur manipulation rapide et fiable par le courant.
La thèse s'appuiera sur l'ensemble des méthodes et techniques expérimentales utilisés pour la mise au point et la caractérisation de dispositifs spintronique : dépôt par pulvérisation cathodique des multicouches ultra-fines et la caractérisation de leurs propriétés magnétiques par des méthodes de magnétométrie, puis nanofabrication de nanostructures découpées dans ces couches par lithographie électroniques et gravure ionique. La nanofabrication sera effectuée à la plateforme de nanofabrication PTA située dans le même bâtiment que le laboratoire Spintec. Les nanostructures seront ensuite caractérisées par des méthodes de magnéto-transport et par microscopie magnétique (MFM), afin de mettre en évidence la nucléation de skyrmions isolés et leur structure magnétique. Des expériences de microscopie magnétique basée sur les rayons X, STXM ou XMCD-PEEM seront prévues dans différents synchrotrons européens.

Contexte de travail

La thèse s'effectuera au laboratoire Spintec sous la direction d'Olivier Boulle. Elle s'effectuera dans le cadre du projet collaboratif international. L'étudiant bénéficiera des nombreuses collaborations prévues dans le cadre du projet : microscopie à centre NV magnétique à Montpellier, Microscopie électronique à transmission au centre FZ Jülich, Calculs DFT et simulations atomistiques au centre FZ Jülich.

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