Brillouin light scattering on thin films, multilayers and magnetic nanostructures : study of the Dzyaloshinskii–Moriya interaction - Archive ouverte HAL Access content directly
Theses Year : 2019

Brillouin light scattering on thin films, multilayers and magnetic nanostructures : study of the Dzyaloshinskii–Moriya interaction

Spectroscopie Brillouin dans les couches minces, multicouches et nanostructures magnétiques : étude de l’interaction Dzyaloshinskii-Moriya

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Abstract

This work aims to investigate, experimentally and theoretically, the behavior of spin waves (SW) in ultrathin layers, multilayers and magnetic nanostructures in the presence of interface Dzyaloshinskii-Moriya interaction (DMI). For this purpose, we used the Brillouin light scattering spectroscopy (BLS) as an experimental probe. This technique has proven to be an efficient tool for measuring the DMI; an effect that results in an asymmetry of the Stokes and anti-Stokes lines of a BLS spectrum for a thin ferromagnetic film in contact with a heavy metal producing a strong spin-orbit coupling (SOC). Thus, in the presence of DMI, the frequencies of two SW propagating in opposite directions will be different due to inversion symmetry breaking.Different systems were discussed and different situations and parameters were considered.On simple ultrathin layer systems, the behavior as a function of the thickness of themagnetic film or the effect of annealing have been identified, highlighting the interfacial nature of the DMI and the role of the structural and chemical quality of the ferromagnetic/heavy metal interface.Moreover, we have shown that the addition of non-magnetic impurities with high SOC in light metals interfaced with a ferromagnetic layer can be an effective approach to simultaneously improveand control magnetic damping, perpendicular anisotropy and DMI. A correlation between these SOC parameters has been also demonstrated. In thin film stacks, particular attention has been dedicated to the role of dipolar coupling,exchange coupling and magnetic anisotropy on the behavior of SW in the presence of DMI. It appears that the quantitative measurement of the DMI can deviate significantly from that obtained from the analytical expression known for simple thin layers where the value of the DMI is directly proportional to the wave vector of the SW. A complete calculation is thus necessary for all non-symmetrical cases (non-equivalent interfaces, different interface anisotropies, etc. . . ).The theoretical results presented for this purpose represent an extremely useful tool.The study of different nanostripes arrays in presence of DMI was the opportunity to highlight the effects of size and periodicity in different situations. Completely decoupled nanostripes or inpartial physical contact with periodic layer thickness were discussed. We have thus demonstrated the absence of DMI for stationary spin waves according to the width of the decoupled stripes and correlated the behavior of the SW with their attenuation length and the periodicity of the arrays, whereas a modulated magnetic behavior by the presence of the DMI was observed for the coupled stripes via a ferromagnetic film.The results obtained in this thesis work contribute to the understanding of the dynamic magnetic behavior of systems in the presence of DMI that can contribute to the efficient engineering of future systems for spintronics or spin-orbitronics, particularly based on configurations of chiral spin texture such as skyrmions.
Ce travail vise à étudier, expérimentalement et théoriquement, le comportement des ondes de spin dans des couches ultraminces, multicouches et nanostructures magnétiques en présence de l’interaction Dzyaloshinskii-Moriya d’interface (DMI). A cet effet, nous avons utilisé la spectroscopie Brillouin (BLS) de diffusion inélastique de la lumière comme sonde expérimentale. Cette technique s’est avérée un outil extrêmement efficace pour mesurer la DMI ; effet qui se traduit par une asymétrie des raies Stokes et anti-Stokes d’un spectre BLS d’un système magnétique mince en contact d’un métal lourd produisant un fort couplage spin-orbite (SOC, acronyme anglais). Ainsi,en présence de DMI, les fréquences de deux ondes de spin se propageant dans des directions opposées seront différentes du fait de la brisure de symétrie par inversion.Différents systèmes ont été abordés et différentes situations et paramètres ont été considérés.Sur les systèmes simples en couches ultraminces, le comportement en fonction de l’épaisseur du film magnétique ou encore l’effet du recuit ont été cernés mettant en évidence le caractère interfacial de la DMI et le rôle de la qualité structurale et chimique de l’interface ferromagnétique/métal lourd. Par ailleurs, nous avons montré que l’addition d’impuretés non magnétiques à fort SOC dans des métaux légers interfacés avec un ferromagnétique peut constituer une approche efficace pour améliorer et contrôler simultanément l’amortissement magnétique, l’anisotropie perpendiculaire ainsi que la DMI. Une corrélation entre ces paramètres issus du SOC a été démontrée.Dans les empilements de couches minces, une attention particulière a été dévolue au rôle des couplages d’échange, dipolaire et des anisotropies magnétiques sur le comportement des ondes de spin en présence de DMI. Il apparaît que la mesure quantitative de la DMI peut s’écarter nettement de celle obtenue à partir de l’expression analytique éprouvée pour les couches minces simples où la valeur de la DMI est directement proportionnelle au vecteur d’onde des ondes de spin. Un calcul complet est ainsi nécessaire pour tous les cas non-symétriques (interfaces non équivalentes, anisotropies d’interface différentes,. . . ). Les résultats théoriques présentés à cet effet représentent un outil extrêmement utile.L’étude de différents réseaux de nanolignes présentant une DMI a été l’occasion de mettre en évidence les effets de taille et de périodicité dans différentes situations. Des nanolignes complètement découplées ou en contact physique partiel sur l’épaisseur ont été abordées. Nous avons ainsi mis en évidence l’absence de DMI pour des ondes de spin stationnaires selon la largeur des lignes découplées et corrélé le comportement des ondes de spin à leur longueur d’atténuation et la périodicité des réseaux, alors qu’un comportement magnonique modulé par la présence de la DMI a été observé pour les lignes couplées par l’intermédiaire d’un film ferromagnétique. Les résultats obtenus dans ce travail de thèse participent à la compréhension du comportement magnétique dynamique de systèmes en présence de DMI pouvant contribuer à l’ingénierie efficace de systèmes pour l’électronique de spin du futur ou la spin-orbitronique,notamment à base de configurations de spin chirales tels que les skyrmions.
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  • HAL Id : tel-03023529 , version 1

Cite

Hedi Bouloussa-Huynh. Spectroscopie Brillouin dans les couches minces, multicouches et nanostructures magnétiques : étude de l’interaction Dzyaloshinskii-Moriya. Physique [physics]. Université Paris-Nord - Paris XIII, 2019. Français. ⟨NNT : 2019PA131025⟩. ⟨tel-03023529⟩
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