Gate-Controlled Skyrmion Chirality

Magnetic skyrmions are localized chiral spin textures, which offer great promise to store and process information at the nanoscale. In the presence of asymmetric exchange interactions, their chirality, which governs their dynamics, is generally considered as an intrinsic parameter set during the sample deposition. In this work, we experimentally demonstrate that this key parameter can be controlled by a gate voltage. We observed that the current-induced skyrmion motion can be reversed by the application of a gate voltage. This local and dynamical reversal of the skyrmion chirality is due to a sign inversion of the interfacial Dzyaloshinskii-Moriya interaction that we attribute to ionic migration of oxygen under gate voltage. Micromagnetic simulations show that the chirality reversal is a continuous transformation, in which the skyrmion is conserved. This gate-controlled chirality provides a local and dynamical degree of freedom, yielding new functionalities to skyrmion-based logic devices.Comment: 4 figure

Contrôle électrique des skyrmions en vue d'applications spintroniques

Facing with the ever-increasing demand for data storage and fast computing in a future energy sober society is a challenge that is difficult for microelectronics to meet. In this regard, spintronic stands as the most promising alternative to complement standard microelectronics. As its name suggests, spintronic uses the spin magnetic moment of the electrons (in addition to its electric charge) to store and process information at the nanoscale.Notably, information processing is one of the growing fields of spintronics, and one of the most promising information carrier is the magnetic skyrmion: a nanometer size, circular magnetic object with particle-like properties. Within a skyrmion, the magnetization rotates with a fixed direction, defining its chirality (clockwise or counter-clockwise), fixed by the sign of the interfacial Dzyaloshinskii-Moriya Interaction (iDMI). The iDMI is present in particular in magnetic ultrathin trilayers composed of heavy-metal/ferromagnet/metal-oxide (HM/FM/MOx). In such trilayers, a precise local and dynamic control of the iDMI is still missing for an efficient control of the skyrmion properties. In this thesis work I report on the experimental observation of two distinct ways of controlling the iDMI amplitude and more importantly, its sign.On the one hand, I show that the iDMI sign can be tuned by the material parameters. In Ta/FeCoB/TaOx trilayer, we found that modulation of the FeCoB thickness or the oxidation state at the FeCoB/TaOx interface both lead to an inversion of the iDMI sign. In addition I show that the iDMI sign crossover is accompanied by an inversion of skyrmion chirality, as confirmed by the opposite direction of motion of magnetic skyrmions under current injection.On the other hand, I show for the first time that the iDMI sign can be reversed with a gate voltage leading to a local and dynamical control of the skyrmion chirality. It is attributed to magneto ionic effects, since a positive (resp. negative) gate voltage leads to the reduction (resp. oxidation) of the FeCoB/TaOx interface, allowing to change iDMI sign by applying the appropriate voltage polarity.Finally we performed micromagnetic simulations and developed analytical models for a deeper understanding of the effect of an iDMI amplitude and sign modulation on the skyrmion. We show that a fine control of the iDMI allows for a fine tuning of (i) the skyrmion equilibrium structure and (ii) the skyrmion dynamic properties, such as its trajectory angle under injected current. It allows notably to suppress the skyrmion Hall effect, detrimental for applications. Realizing experimentally such fine control of skyrmion properties would pave the way towards all-electrical, power efficient spintronic devices and multidirectional logic functionalities.Faire face à la demande toujours croissante de stockage de données et de calcul rapide dans une société qui doit tendre vers la sobriété énergétique est un défi difficile à relever pour la microélectronique. À cet égard, la spintronique se présente comme l'alternative la plus prometteuse pour complémenter l'électronique standard. Comme son nom l'indique, la spintronique utilise le spin des électrons en plus de leur charge électrique pour stocker et traiter les informations à l'échelle nanométrique.L'application de la spintronique au traitement de l'information est un sujet en pleine expansion, pour lequel le skyrmion magnétique est un candidat prometteur. Il s'agit d'un objet magnétique circulaire de taille nanométrique envisagé comme le futur porteur d'information dans les dispositifs spintroniques. Dans un skyrmion, l'aimantation tourne dans une direction fixe, définissant sa chiralité (horaire ou anti-horaire), fixée par le signe de l'interaction interfaciale dite de Dzyaloshinskii-Moriya (iDMI). L'iDMI est présente en particulier dans les tricouches magnétiques ultraminces composées de métal-lourd/ferromagnétique/oxyde métallique (HM/FM/MOx). Dans ces matériaux, un contrôle précis, local et dynamique de l'iDMI est encore à démontrer pour un contrôle efficace des propriétés du skyrmion. Dans ce travail de thèse, je rapporte l'observation expérimentale de deux méthodes distinctes pour contrôler l'amplitude de l'iDMI et, plus important encore, son signe.D'une part, je montre que le signe de l'iDMI dépend des paramètres matériau. Dans une tricouche Ta/FeCoB/TaOx, nous avons montré que le signe de l'IDMI peut être inverser avec une modulation de l'épaisseur de FeCoB ou de l'état d'oxidation à l'interface FeCoB/TaOx. De plus, l'inversion du signe de l'iDMI s'accompagne d'une inversion de la chiralité des skyrmions, comme le confirme de changement de direction des skyrmions mis en mouvement par un courant électrique.D'autre part, nous montrons pour la première fois que le signe de l'iDMI peut être inversé avec une tension de grille, conduisant à un contrôle local et dynamique de la chiralité du skyrmion. Nous attribuons cela à des effets migration ioniques qui modifient l'état d'oxidation d'interface, dont le signe de l'iDMI dépend.Enfin, grâce à des simulations micromagnétiques et des modèles analytiques, nous avons réalisé une étude plus approfondie qui montre qu'un contrôle fin de l'amplitude et du signe de l'iDMI permet d'ajuster (i) la structure d'équilibre du skyrmion et (ii) ses propriétés dynamiques, comme l'angle de sa trajectoire sous courant injecté, permettant notamment de supprimer l'effet Hall skyrmionique, indésirable pour les applications. La réalisation expérimentale d'un tel contrôle fin des propriétés du skyrmion ouvrirait la voie à des dispositifs spintroniques tout électriques, économes en énergie et à des portes logiques multidirectionnelles

Contrôle électrique des skyrmions en vue d'applications spintroniques

Facing with the ever-increasing demand for data storage and fast computing in a future energy sober society is a challenge that is difficult for microelectronics to meet. In this regard, spintronic stands as the most promising alternative to complement standard microelectronics. As its name suggests, spintronic uses the spin magnetic moment of the electrons (in addition to its electric charge) to store and process information at the nanoscale.Notably, information processing is one of the growing fields of spintronics, and one of the most promising information carrier is the magnetic skyrmion: a nanometer size, circular magnetic object with particle-like properties. Within a skyrmion, the magnetization rotates with a fixed direction, defining its chirality (clockwise or counter-clockwise), fixed by the sign of the interfacial Dzyaloshinskii-Moriya Interaction (iDMI). The iDMI is present in particular in magnetic ultrathin trilayers composed of heavy-metal/ferromagnet/metal-oxide (HM/FM/MOx). In such trilayers, a precise local and dynamic control of the iDMI is still missing for an efficient control of the skyrmion properties. In this thesis work I report on the experimental observation of two distinct ways of controlling the iDMI amplitude and more importantly, its sign.On the one hand, I show that the iDMI sign can be tuned by the material parameters. In Ta/FeCoB/TaOx trilayer, we found that modulation of the FeCoB thickness or the oxidation state at the FeCoB/TaOx interface both lead to an inversion of the iDMI sign. In addition I show that the iDMI sign crossover is accompanied by an inversion of skyrmion chirality, as confirmed by the opposite direction of motion of magnetic skyrmions under current injection.On the other hand, I show for the first time that the iDMI sign can be reversed with a gate voltage leading to a local and dynamical control of the skyrmion chirality. It is attributed to magneto ionic effects, since a positive (resp. negative) gate voltage leads to the reduction (resp. oxidation) of the FeCoB/TaOx interface, allowing to change iDMI sign by applying the appropriate voltage polarity.Finally we performed micromagnetic simulations and developed analytical models for a deeper understanding of the effect of an iDMI amplitude and sign modulation on the skyrmion. We show that a fine control of the iDMI allows for a fine tuning of (i) the skyrmion equilibrium structure and (ii) the skyrmion dynamic properties, such as its trajectory angle under injected current. It allows notably to suppress the skyrmion Hall effect, detrimental for applications. Realizing experimentally such fine control of skyrmion properties would pave the way towards all-electrical, power efficient spintronic devices and multidirectional logic functionalities.Faire face à la demande toujours croissante de stockage de données et de calcul rapide dans une société qui doit tendre vers la sobriété énergétique est un défi difficile à relever pour la microélectronique. À cet égard, la spintronique se présente comme l'alternative la plus prometteuse pour complémenter l'électronique standard. Comme son nom l'indique, la spintronique utilise le spin des électrons en plus de leur charge électrique pour stocker et traiter les informations à l'échelle nanométrique.L'application de la spintronique au traitement de l'information est un sujet en pleine expansion, pour lequel le skyrmion magnétique est un candidat prometteur. Il s'agit d'un objet magnétique circulaire de taille nanométrique envisagé comme le futur porteur d'information dans les dispositifs spintroniques. Dans un skyrmion, l'aimantation tourne dans une direction fixe, définissant sa chiralité (horaire ou anti-horaire), fixée par le signe de l'interaction interfaciale dite de Dzyaloshinskii-Moriya (iDMI). L'iDMI est présente en particulier dans les tricouches magnétiques ultraminces composées de métal-lourd/ferromagnétique/oxyde métallique (HM/FM/MOx). Dans ces matériaux, un contrôle précis, local et dynamique de l'iDMI est encore à démontrer pour un contrôle efficace des propriétés du skyrmion. Dans ce travail de thèse, je rapporte l'observation expérimentale de deux méthodes distinctes pour contrôler l'amplitude de l'iDMI et, plus important encore, son signe.D'une part, je montre que le signe de l'iDMI dépend des paramètres matériau. Dans une tricouche Ta/FeCoB/TaOx, nous avons montré que le signe de l'IDMI peut être inverser avec une modulation de l'épaisseur de FeCoB ou de l'état d'oxidation à l'interface FeCoB/TaOx. De plus, l'inversion du signe de l'iDMI s'accompagne d'une inversion de la chiralité des skyrmions, comme le confirme de changement de direction des skyrmions mis en mouvement par un courant électrique.D'autre part, nous montrons pour la première fois que le signe de l'iDMI peut être inversé avec une tension de grille, conduisant à un contrôle local et dynamique de la chiralité du skyrmion. Nous attribuons cela à des effets migration ioniques qui modifient l'état d'oxidation d'interface, dont le signe de l'iDMI dépend.Enfin, grâce à des simulations micromagnétiques et des modèles analytiques, nous avons réalisé une étude plus approfondie qui montre qu'un contrôle fin de l'amplitude et du signe de l'iDMI permet d'ajuster (i) la structure d'équilibre du skyrmion et (ii) ses propriétés dynamiques, comme l'angle de sa trajectoire sous courant injecté, permettant notamment de supprimer l'effet Hall skyrmionique, indésirable pour les applications. La réalisation expérimentale d'un tel contrôle fin des propriétés du skyrmion ouvrirait la voie à des dispositifs spintroniques tout électriques, économes en énergie et à des portes logiques multidirectionnelles

Electric control of skyrmions for spintronic applications

Faire face à la demande toujours croissante de stockage de données et de calcul rapide dans une société qui doit tendre vers la sobriété énergétique est un défi difficile à relever pour la microélectronique. À cet égard, la spintronique se présente comme l'alternative la plus prometteuse pour complémenter l'électronique standard. Comme son nom l'indique, la spintronique utilise le spin des électrons en plus de leur charge électrique pour stocker et traiter les informations à l'échelle nanométrique.L'application de la spintronique au traitement de l'information est un sujet en pleine expansion, pour lequel le skyrmion magnétique est un candidat prometteur. Il s'agit d'un objet magnétique circulaire de taille nanométrique envisagé comme le futur porteur d'information dans les dispositifs spintroniques. Dans un skyrmion, l'aimantation tourne dans une direction fixe, définissant sa chiralité (horaire ou anti-horaire), fixée par le signe de l'interaction interfaciale dite de Dzyaloshinskii-Moriya (iDMI). L'iDMI est présente en particulier dans les tricouches magnétiques ultraminces composées de métal-lourd/ferromagnétique/oxyde métallique (HM/FM/MOx). Dans ces matériaux, un contrôle précis, local et dynamique de l'iDMI est encore à démontrer pour un contrôle efficace des propriétés du skyrmion. Dans ce travail de thèse, je rapporte l'observation expérimentale de deux méthodes distinctes pour contrôler l'amplitude de l'iDMI et, plus important encore, son signe.D'une part, je montre que le signe de l'iDMI dépend des paramètres matériau. Dans une tricouche Ta/FeCoB/TaOx, nous avons montré que le signe de l'IDMI peut être inverser avec une modulation de l'épaisseur de FeCoB ou de l'état d'oxidation à l'interface FeCoB/TaOx. De plus, l'inversion du signe de l'iDMI s'accompagne d'une inversion de la chiralité des skyrmions, comme le confirme de changement de direction des skyrmions mis en mouvement par un courant électrique.D'autre part, nous montrons pour la première fois que le signe de l'iDMI peut être inversé avec une tension de grille, conduisant à un contrôle local et dynamique de la chiralité du skyrmion. Nous attribuons cela à des effets migration ioniques qui modifient l'état d'oxidation d'interface, dont le signe de l'iDMI dépend.Enfin, grâce à des simulations micromagnétiques et des modèles analytiques, nous avons réalisé une étude plus approfondie qui montre qu'un contrôle fin de l'amplitude et du signe de l'iDMI permet d'ajuster (i) la structure d'équilibre du skyrmion et (ii) ses propriétés dynamiques, comme l'angle de sa trajectoire sous courant injecté, permettant notamment de supprimer l'effet Hall skyrmionique, indésirable pour les applications. La réalisation expérimentale d'un tel contrôle fin des propriétés du skyrmion ouvrirait la voie à des dispositifs spintroniques tout électriques, économes en énergie et à des portes logiques multidirectionnelles.Facing with the ever-increasing demand for data storage and fast computing in a future energy sober society is a challenge that is difficult for microelectronics to meet. In this regard, spintronic stands as the most promising alternative to complement standard microelectronics. As its name suggests, spintronic uses the spin magnetic moment of the electrons (in addition to its electric charge) to store and process information at the nanoscale.Notably, information processing is one of the growing fields of spintronics, and one of the most promising information carrier is the magnetic skyrmion: a nanometer size, circular magnetic object with particle-like properties. Within a skyrmion, the magnetization rotates with a fixed direction, defining its chirality (clockwise or counter-clockwise), fixed by the sign of the interfacial Dzyaloshinskii-Moriya Interaction (iDMI). The iDMI is present in particular in magnetic ultrathin trilayers composed of heavy-metal/ferromagnet/metal-oxide (HM/FM/MOx). In such trilayers, a precise local and dynamic control of the iDMI is still missing for an efficient control of the skyrmion properties. In this thesis work I report on the experimental observation of two distinct ways of controlling the iDMI amplitude and more importantly, its sign.On the one hand, I show that the iDMI sign can be tuned by the material parameters. In Ta/FeCoB/TaOx trilayer, we found that modulation of the FeCoB thickness or the oxidation state at the FeCoB/TaOx interface both lead to an inversion of the iDMI sign. In addition I show that the iDMI sign crossover is accompanied by an inversion of skyrmion chirality, as confirmed by the opposite direction of motion of magnetic skyrmions under current injection.On the other hand, I show for the first time that the iDMI sign can be reversed with a gate voltage leading to a local and dynamical control of the skyrmion chirality. It is attributed to magneto ionic effects, since a positive (resp. negative) gate voltage leads to the reduction (resp. oxidation) of the FeCoB/TaOx interface, allowing to change iDMI sign by applying the appropriate voltage polarity.Finally we performed micromagnetic simulations and developed analytical models for a deeper understanding of the effect of an iDMI amplitude and sign modulation on the skyrmion. We show that a fine control of the iDMI allows for a fine tuning of (i) the skyrmion equilibrium structure and (ii) the skyrmion dynamic properties, such as its trajectory angle under injected current. It allows notably to suppress the skyrmion Hall effect, detrimental for applications. Realizing experimentally such fine control of skyrmion properties would pave the way towards all-electrical, power efficient spintronic devices and multidirectional logic functionalities

Contrôle électrique des skyrmions en vue d'applications spintroniques

Facing with the ever-increasing demand for data storage and fast computing in a future energy sober society is a challenge that is difficult for microelectronics to meet. In this regard, spintronic stands as the most promising alternative to complement standard microelectronics. As its name suggests, spintronic uses the spin magnetic moment of the electrons (in addition to its electric charge) to store and process information at the nanoscale.Notably, information processing is one of the growing fields of spintronics, and one of the most promising information carrier is the magnetic skyrmion: a nanometer size, circular magnetic object with particle-like properties. Within a skyrmion, the magnetization rotates with a fixed direction, defining its chirality (clockwise or counter-clockwise), fixed by the sign of the interfacial Dzyaloshinskii-Moriya Interaction (iDMI). The iDMI is present in particular in magnetic ultrathin trilayers composed of heavy-metal/ferromagnet/metal-oxide (HM/FM/MOx). In such trilayers, a precise local and dynamic control of the iDMI is still missing for an efficient control of the skyrmion properties. In this thesis work I report on the experimental observation of two distinct ways of controlling the iDMI amplitude and more importantly, its sign.On the one hand, I show that the iDMI sign can be tuned by the material parameters. In Ta/FeCoB/TaOx trilayer, we found that modulation of the FeCoB thickness or the oxidation state at the FeCoB/TaOx interface both lead to an inversion of the iDMI sign. In addition I show that the iDMI sign crossover is accompanied by an inversion of skyrmion chirality, as confirmed by the opposite direction of motion of magnetic skyrmions under current injection.On the other hand, I show for the first time that the iDMI sign can be reversed with a gate voltage leading to a local and dynamical control of the skyrmion chirality. It is attributed to magneto ionic effects, since a positive (resp. negative) gate voltage leads to the reduction (resp. oxidation) of the FeCoB/TaOx interface, allowing to change iDMI sign by applying the appropriate voltage polarity.Finally we performed micromagnetic simulations and developed analytical models for a deeper understanding of the effect of an iDMI amplitude and sign modulation on the skyrmion. We show that a fine control of the iDMI allows for a fine tuning of (i) the skyrmion equilibrium structure and (ii) the skyrmion dynamic properties, such as its trajectory angle under injected current. It allows notably to suppress the skyrmion Hall effect, detrimental for applications. Realizing experimentally such fine control of skyrmion properties would pave the way towards all-electrical, power efficient spintronic devices and multidirectional logic functionalities.Faire face à la demande toujours croissante de stockage de données et de calcul rapide dans une société qui doit tendre vers la sobriété énergétique est un défi difficile à relever pour la microélectronique. À cet égard, la spintronique se présente comme l'alternative la plus prometteuse pour complémenter l'électronique standard. Comme son nom l'indique, la spintronique utilise le spin des électrons en plus de leur charge électrique pour stocker et traiter les informations à l'échelle nanométrique.L'application de la spintronique au traitement de l'information est un sujet en pleine expansion, pour lequel le skyrmion magnétique est un candidat prometteur. Il s'agit d'un objet magnétique circulaire de taille nanométrique envisagé comme le futur porteur d'information dans les dispositifs spintroniques. Dans un skyrmion, l'aimantation tourne dans une direction fixe, définissant sa chiralité (horaire ou anti-horaire), fixée par le signe de l'interaction interfaciale dite de Dzyaloshinskii-Moriya (iDMI). L'iDMI est présente en particulier dans les tricouches magnétiques ultraminces composées de métal-lourd/ferromagnétique/oxyde métallique (HM/FM/MOx). Dans ces matériaux, un contrôle précis, local et dynamique de l'iDMI est encore à démontrer pour un contrôle efficace des propriétés du skyrmion. Dans ce travail de thèse, je rapporte l'observation expérimentale de deux méthodes distinctes pour contrôler l'amplitude de l'iDMI et, plus important encore, son signe.D'une part, je montre que le signe de l'iDMI dépend des paramètres matériau. Dans une tricouche Ta/FeCoB/TaOx, nous avons montré que le signe de l'IDMI peut être inverser avec une modulation de l'épaisseur de FeCoB ou de l'état d'oxidation à l'interface FeCoB/TaOx. De plus, l'inversion du signe de l'iDMI s'accompagne d'une inversion de la chiralité des skyrmions, comme le confirme de changement de direction des skyrmions mis en mouvement par un courant électrique.D'autre part, nous montrons pour la première fois que le signe de l'iDMI peut être inversé avec une tension de grille, conduisant à un contrôle local et dynamique de la chiralité du skyrmion. Nous attribuons cela à des effets migration ioniques qui modifient l'état d'oxidation d'interface, dont le signe de l'iDMI dépend.Enfin, grâce à des simulations micromagnétiques et des modèles analytiques, nous avons réalisé une étude plus approfondie qui montre qu'un contrôle fin de l'amplitude et du signe de l'iDMI permet d'ajuster (i) la structure d'équilibre du skyrmion et (ii) ses propriétés dynamiques, comme l'angle de sa trajectoire sous courant injecté, permettant notamment de supprimer l'effet Hall skyrmionique, indésirable pour les applications. La réalisation expérimentale d'un tel contrôle fin des propriétés du skyrmion ouvrirait la voie à des dispositifs spintroniques tout électriques, économes en énergie et à des portes logiques multidirectionnelles

Skyrmion Chirality Inversion in Ta/FeCoB/TaOx trilayers

Skyrmions are nontrivial spiral spin textures considered as potential building blocks for ultrafast and power efficient spintronic memory and logic devices. Controlling their chirality would provide an additional degree of freedom and enable new functionalities in these devices. Achieving such control requires adjusting the interfacial Dzyaloshinskii-Moriya interaction (DMI). Thanks to Brillouin Light scattering measurements in Ta/FeCoB/TaOx trilayer, we have evidenced a DMI sign crossover when tuning TaOx oxidation and suspected another DMI sign crossover when tuning FeCoB thickness. Moreover, using polar magneto-optical Kerr effect microscopy, we demonstrate skyrmion chirality inversion through their opposite current induced motion direction either by changing FeCoB thickness or TaOx oxidation rate. This chirality inversion enables a more versatile manipulation of skyrmions, paving the way towards multidirectional devices

Gate-controlled skyrmion and domain wall chirality

International audienceMagnetic skyrmions are localized chiral spin textures, which offer great promise to store and process information at the nanoscale. In the presence of asymmetric exchange interactions, their chirality, which governs their dynamics, is generally considered as an intrinsic parameter set during the sample deposition. In this work, we experimentally demonstrate that a gate voltage can control this key parameter. We probe the chirality of skyrmions and chiral domain walls by observing the direction of their current-induced motion and show that a gate voltage can reverse it. This local and dynamical reversal of the chirality is due to a sign inversion of the interfacial Dzyaloshinskii-Moriya interaction that we attribute to ionic migration of oxygen under gate voltage. Micromagnetic simulations show that the chirality reversal is a continuous transformation, in which the skyrmion is conserved. This control of chirality with 2–3 V gate voltage can be used for skyrmion-based logic devices, yielding new functionalities

Gate-Controlled Skyrmion Chirality

Magnetic skyrmions are localized chiral spin textures, which offer great promise to store and process information at the nanoscale. In the presence of asymmetric exchange interactions, their chirality, which governs their dynamics, is generally considered as an intrinsic parameter set during the sample deposition. In this work, we experimentally demonstrate that this key parameter can be controlled by a gate voltage. We observed that the current-induced skyrmion motion can be reversed by the application of a gate voltage. This local and dynamical reversal of the skyrmion chirality is due to a sign inversion of the interfacial Dzyaloshinskii-Moriya interaction that we attribute to ionic migration of oxygen under gate voltage. Micromagnetic simulations show that the chirality reversal is a continuous transformation, in which the skyrmion is conserved. This gate-controlled chirality provides a local and dynamical degree of freedom, yielding new functionalities to skyrmion-based logic devices