Spin-orbit torques in an ultrathin ferromagnetic metal layer between two oxides : quantum confinement and Rashba effect
Couples de spin-orbite dans une couche de métal ferromagnétique ultramince comprise entre deux oxydes : confinement quantique et effet Rashba
Résumé
Experimentally demonstrated in the early 2010's, spin-orbite torques (SOTs) very quickly generated a very strong interest in the magnetism and spin electronics community. Indeed, they allow, in a heavy metal / ferromagnetic metal / oxide (HM/FM/Ox) multilayer, to manipulate the magnetization of the ferromagnetic layer (FM) by injecting an in-plane current. Noting that the FM/Ox bilayer corresponds to half of a typical stack used in MRAM memory cells (Magnetic Random Access Memory), we understand that this mechanism is very interesting for writing the free layer of these cells. Indeed, the writing current no longer crosses the tunnel barrier, which naturally responds to some of the limitations of current MRAMs. However, the physical interpretation of these phenomena has proved to be particularly complex. These torques have two components, generally called "Field-like", FL, and "Damping-like", DL. While initially, theoretical studies predicted that the DL component was mainly due to a volume effect in the HM layer, and the FL component was mainly due to an interface effect, more recent experimental studies have shown that it is not so simple to separate these two contributions.In this thesis work, we have chosen an original approach that allows us to study only one of the two contributions. To do so, we have chosen to focus on the interfacial contribution by studying Ox1/FM/Ox2 samples. We were thus able to highlight in these stacks the presence of SOTs, which was not so obvious in a structure that did not contain heavy metal and also had a strong symmetry. On the other hand, we were able to show that only the FL component of these couples was present. The unexpected behaviour of this FL-SOT as a function of the thickness of the FM layer led us to propose a model based on the combination of a Rahsba interfacial effect and a quantum confinement effect due to the very thin thickness of conductive material in these multilayers.
Mis en évidence expérimentalement au début des années 2010, les couples de spin-orbite (SOTs) ont très rapidement suscité un très fort intérêt dans la communauté du magnétisme et de l'électronique de spin. En effet, ils permettent,dans un empilement de type métal lourd / métal ferromagnétique / oxyde (HM/FM/Ox), de manipuler l'aimantation de la couche ferromagnétique (FM) en injectant un courant dans le plan des couches. En remarquant que la bicouche FM/Ox correspond à la moitié d'un empilement typique utilisé dans les cellules mémoires de types MRAM (Magnetic Random Access Memory, mémoire magnétique à accès aléatoire), on comprend que ce mécanisme est très intéressant pour l'écriture de la couche libre de ces cellules. En effet, le courant d'écriture ne traverse plus la barrière tunnel, ce qui répond naturellement à certaines limitations des MRAM actuelles. L'interprétation physique de ces phénomènes s'est cependant révélée particulièrement complexe. Ces couples ont deux composantes, généralement appelée "Field-like", FL, et "Damping-like", DL. Si dans un premier temps, les études théoriques ont prédit que la composante DL provenait principalement d'un effet de volume dans la couche HM,et que la composante FL provenait principalement d'un effet d'interface, des études expérimentales plus récentes ont montré qu'il n'était pas si simple de séparer ces deux contributions.Dans ce travail de thèse, nous avons choisi une approche originale permettant de n'étudier qu'une seule des deux contributions. Pour ce faire, nous avons choisi de nous concentrer sur la contribution interfaciale en étudiant des échantillons de types Ox1/FM/Ox2. Nous avons ainsi pu mettre en évidence dans ces empilements la présence de SOTs ce qui n'était textit{a priori} pas si évident dans une structure ne contenant pas de métal lourd et présentant de surcroît une forte symétrie. D'autre part, nous avons pu montrer que seule la composante FL de ces couples était présente. Le comportement inattendu de ce FL-SOT en fonction de l'épaisseur de la couche FM, nous a conduit à proposer un modèle basé sur la combinaison d'un effet interfacial de type Rahsba et d'un effet de confinement quantique dû à la très faible épaisseur de matériau conducteur dans ces empilements.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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