Degenerate and non-degenerate parametric excitation in YIG nanostructures

We study experimentally the processes of parametric excitation in microscopic magnetically saturated disks of nanometer-thick Yttrium Iron Garnet. We show that, depending on the relative orientation between the parametric pumping field and the static magnetization, excitation of either degenerate or non-degenerate magnon pairs is possible. In the latter case, which is particularly important for applications associated with the realization of computation in the reciprocal space, a single-frequency pumping can generate pairs of magnons whose frequencies correspond to different eigenmodes of the disk. We show that, depending on the size of the disk and the modes involved, the frequency difference in a pair can vary in the range 0.1-0.8 GHz. We demonstrate that in this system, one can easily realize a practically important situation where several magnon pairs share the same mode. We also observe the simultaneous generation of up to six different modes using a fixed-frequency monochromatic pumping. Our experimental findings are supported by numerical calculations that allow us to unambiguously identify the excited modes. Our results open new possibilities for the implementation of reciprocal-space computing making use of low damping magnetic insulators.Comment: 18 pages, 4 figure

Engineering and dynamical control of interfacial properties in ultra-thin films to tune magnetic spin textures

Le contrôle du magnétisme aux interfaces s’est avéré essentiel pour la spintronique et ses applications, en particulier celles basées sur des structures chirales de spin appelées skyrmions magnétiques. Ces skyrmions, décrits comme des solitons magnétiques, sont de potentiels vecteurs d’information. Dans des empilements ultraminces du type métal lourd / ferromagnétique / isolant, les skyrmions sont stabilisés par une interaction d’échange antisymétrique d’interface appelée interaction de Dzyaloshinskii-Moriya (DMI); celle-ci entre en compétition avec d’autres interactions telles que l’interaction d’échange symétrique ou l’anisotropie magnétique. Afin de contrôler ces skyrmions, les propriétés magnétiques aux interfaces doivent être ajustées finement et modulées par une excitation extérieure. Le champ électrique s’est avéré être un outil efficace pour manipuler ces propriétés d’interface. Il a notamment été montré dans un certain nombre d’études depuis 2009 qu’une différence de potentiel permet de modifier localement et de manière dynamique des propriétés telles que l’anisotropie magnéto-cristalline ou l’aimantation à saturation. Cependant, cet effet sur DMI, qu’il est crucial d’intégrer pour les systèmes avec skyrmions, n’avait pas été observé pour les films ultraminces.Cette thèse présente tout d'abord une optimisation des systèmes tricouches de type métal lourd/ferromagnétique/oxide dans lesquels peuvent exister des skyrmions. J’ai plus particulièrement étudié le système Ta/FeCoB/TaOx qui permet de énucléer des skyrmions en présence d’un faible champ magnétique appliqué perpendiculairement au plan des couches. Une étude approfondie en fonction de l’épaisseur de FeCoB et de l’état d’oxydation du TaOx a notamment été menée, permettant ainsi d’identifier les différentes zones présentant des skyrmions. D’autre part, le résultat majeur de cette thèse est la démonstration de la modulation de DMI par un champ électrique dans une tricouche Ta/FeCoB/TaOx. Des mesures de spectroscopie Brillouin sous champ électrique ont montré une très grande variation allant jusqu’à 130%. Puis, des observations complémentaires en microscopie à effet Kerr magnéto-optique ont permis de mesurer simultanément une variation monotone de DMI et de la taille des skyrmions en fonction du champ électrique avec une efficacité sans précédent. Puisque le champ électrique agit principalement sur l’interface entre le matériau ferromagnétique et l’oxyde (FeCoB/TaOx), cette étude indique l’existence d’une DMI de type Rashba, expliquant la forte sensibilité au champ électrique. Ces observations montrent également qu’un renversement du signe de l’IDM est possible, qui conduirait à une inversion de la chiralité des skyrmions. Cette manipulation dynamique de DMI permettrait de conférer un degré de contrôle supplémentaire pour le développement de mémoires ou de dispositifs logiques ou neuromorphiques à base de skyrmions.Control of interfacial magnetism has emerged to be of paramount importance for spintronics applications specially involving chiral magnetic structures called skyrmions. Skyrmions are envisaged to be the future information carriers owing to their solitonic properties. In heavy metal/ ferromagnet/ insulator heterostructures, skyrmions are stabilized by interfacial Dzyaloshinskii-Moriya interaction which is an antisymmetric exchange and competes with other interactions like symmetric exchange and magnetic anisotropy. In order to tune skyrmions, the interfacial magnetic properties need to be modulated. One of the energy efficient tools to maneuver interfacial magnetism is electric field effect. Voltage gating has been shown, in a number of studies since 2009, to locally and dynamically tune magnetic properties like interface anisotropy and saturation magnetization. However, its effect on interfacial Dzyaloshinskii-Moriya Interaction (DMI), which is crucial for the stability of magnetic skyrmions, has been challenging to achieve and has not been reported yet for ultrathin films.This thesis demonstrates an optimization of trilayer systems consisting of a heavy metal/ ferromagnet/ oxide where skyrmions can be stabilized. In particular, I focussed on the Ta/FeCoB/TaOx system to nucleate skyrmions in the presence of very small out of plane magnetic field. Further, the different skyrmionic zones as a function of the FeCoB thickness and TaOx oxidation state are studied. We then show electric field induced modulation of interfacial DMI which forms the most important result of this thesis. We demonstrate 130% variation of DMI with electric field in Ta/FeCoB/TaOx trilayers through Brillouin Light Spectroscopy (BLS). Using polar Magneto-Optical-Kerr-Effect microscopy, we further show a monotonic variation of DMI and skyrmionic bubble size with electric field, with an unprecedented efficiency. Since the electric field acts mainly on the FeCoB/TaOx interface, this study also points at the existence of the Rashba DMI explaining its high sensitivity to an applied voltage. We anticipate through our observations that a sign reversal of DMI with electric field is possible, leading to a chirality switch. This dynamic manipulation of DMI establishes an additional degree of control to engineer programmable skyrmion based memory, logic or neuromorphic devices

Ingénierie et contrôle dynamique des propriétés interfaciales dans les films ultra-minces pour ajuster les textures de spin magnétique

Control of interfacial magnetism has emerged to be of paramount importance for spintronics applications specially involving chiral magnetic structures called skyrmions. Skyrmions are envisaged to be the future information carriers owing to their solitonic properties. In heavy metal/ ferromagnet/ insulator heterostructures, skyrmions are stabilized by interfacial Dzyaloshinskii-Moriya interaction which is an antisymmetric exchange and competes with other interactions like symmetric exchange and magnetic anisotropy. In order to tune skyrmions, the interfacial magnetic properties need to be modulated. One of the energy efficient tools to maneuver interfacial magnetism is electric field effect. Voltage gating has been shown, in a number of studies since 2009, to locally and dynamically tune magnetic properties like interface anisotropy and saturation magnetization. However, its effect on interfacial Dzyaloshinskii-Moriya Interaction (DMI), which is crucial for the stability of magnetic skyrmions, has been challenging to achieve and has not been reported yet for ultrathin films.This thesis demonstrates an optimization of trilayer systems consisting of a heavy metal/ ferromagnet/ oxide where skyrmions can be stabilized. In particular, I focussed on the Ta/FeCoB/TaOx system to nucleate skyrmions in the presence of very small out of plane magnetic field. Further, the different skyrmionic zones as a function of the FeCoB thickness and TaOx oxidation state are studied. We then show electric field induced modulation of interfacial DMI which forms the most important result of this thesis. We demonstrate 130% variation of DMI with electric field in Ta/FeCoB/TaOx trilayers through Brillouin Light Spectroscopy (BLS). Using polar Magneto-Optical-Kerr-Effect microscopy, we further show a monotonic variation of DMI and skyrmionic bubble size with electric field, with an unprecedented efficiency. Since the electric field acts mainly on the FeCoB/TaOx interface, this study also points at the existence of the Rashba DMI explaining its high sensitivity to an applied voltage. We anticipate through our observations that a sign reversal of DMI with electric field is possible, leading to a chirality switch. This dynamic manipulation of DMI establishes an additional degree of control to engineer programmable skyrmion based memory, logic or neuromorphic devices.Le contrôle du magnétisme aux interfaces s’est avéré essentiel pour la spintronique et ses applications, en particulier celles basées sur des structures chirales de spin appelées skyrmions magnétiques. Ces skyrmions, décrits comme des solitons magnétiques, sont de potentiels vecteurs d’information. Dans des empilements ultraminces du type métal lourd / ferromagnétique / isolant, les skyrmions sont stabilisés par une interaction d’échange antisymétrique d’interface appelée interaction de Dzyaloshinskii-Moriya (DMI); celle-ci entre en compétition avec d’autres interactions telles que l’interaction d’échange symétrique ou l’anisotropie magnétique. Afin de contrôler ces skyrmions, les propriétés magnétiques aux interfaces doivent être ajustées finement et modulées par une excitation extérieure. Le champ électrique s’est avéré être un outil efficace pour manipuler ces propriétés d’interface. Il a notamment été montré dans un certain nombre d’études depuis 2009 qu’une différence de potentiel permet de modifier localement et de manière dynamique des propriétés telles que l’anisotropie magnéto-cristalline ou l’aimantation à saturation. Cependant, cet effet sur DMI, qu’il est crucial d’intégrer pour les systèmes avec skyrmions, n’avait pas été observé pour les films ultraminces.Cette thèse présente tout d'abord une optimisation des systèmes tricouches de type métal lourd/ferromagnétique/oxide dans lesquels peuvent exister des skyrmions. J’ai plus particulièrement étudié le système Ta/FeCoB/TaOx qui permet de énucléer des skyrmions en présence d’un faible champ magnétique appliqué perpendiculairement au plan des couches. Une étude approfondie en fonction de l’épaisseur de FeCoB et de l’état d’oxydation du TaOx a notamment été menée, permettant ainsi d’identifier les différentes zones présentant des skyrmions. D’autre part, le résultat majeur de cette thèse est la démonstration de la modulation de DMI par un champ électrique dans une tricouche Ta/FeCoB/TaOx. Des mesures de spectroscopie Brillouin sous champ électrique ont montré une très grande variation allant jusqu’à 130%. Puis, des observations complémentaires en microscopie à effet Kerr magnéto-optique ont permis de mesurer simultanément une variation monotone de DMI et de la taille des skyrmions en fonction du champ électrique avec une efficacité sans précédent. Puisque le champ électrique agit principalement sur l’interface entre le matériau ferromagnétique et l’oxyde (FeCoB/TaOx), cette étude indique l’existence d’une DMI de type Rashba, expliquant la forte sensibilité au champ électrique. Ces observations montrent également qu’un renversement du signe de l’IDM est possible, qui conduirait à une inversion de la chiralité des skyrmions. Cette manipulation dynamique de DMI permettrait de conférer un degré de contrôle supplémentaire pour le développement de mémoires ou de dispositifs logiques ou neuromorphiques à base de skyrmions

Mapping different skyrmion phases in double wedges of Ta/FeCoB/TaOx trilayers

International audienceSkyrmions are chiral magnetic textures that have immense potential for applications in spintronic devices.However, their formation is quite challenging and necessitates a subtle balance of the magnetic interactionsat play. Here, we study Ta/FeCoB/TaOx trilayer using crossed double wedges, i.e., thickness gradients ofFeCoB and of top Ta, which is subsequently oxidized, leading to an oxidation gradient. This enabled us toobserve micron-sized skyrmions in the vicinity of different transition regions of the sample: from perpendicularmagnetic anisotropy to paramagnetic phase and also from perpendicular to in-plane magnetic anisotropy.These observations can be explained by the isolated skyrmion model taking into account the different energycontributions at play, namely, anisotropy, exchange, Dzyaloshinskii-Moriya, dipolar, and Zeeman. We alsoqualitatively compare the current-induced motion of skyrmions obtained in different transition regions. Ourstudy not only provides an effective means to form skyrmions by tuning the interfacial magnetic propertiesbut also highlights the differences pertaining to the skyrmions observed in different transition zones, which isextremely crucial for any envisaged application

Densely packed skyrmions stabilized at zero magnetic field by indirect exchange coupling in multilayers

Room-temperature stabilization of skyrmions in magnetic multilayered systems results from a fine balance between several magnetic interactions, namely, symmetric and antisymmetric exchange, dipolar interaction and perpendicular magnetic anisotropy as well as, in most cases, Zeeman through an applied external field. Such field-driven stabilization approach is, however, not compatible with most of the anticipated skyrmion based applications, e.g., skyrmion memories and logic or neuromorphic computing, which motivates a reduction or a cancellation of field requirements. Here, we present a method to stabilize at room-temperature and zero-field, a densely packed skyrmion phase in ferromagnetic multilayers with moderate number of repetitions. To this aim, we finely tune the multilayer parameters to stabilize a dense skyrmion phase. Then, relying on the interlayer electronic coupling to an adjacent bias magnetic layer with strong perpendicular magnetic anisotropy and uniform magnetization, we demonstrate the stabilization of sub-60 nm diameter skyrmions at zero-field with adjustable skyrmion density.ISSN:2166-532

Skyrmion Brownian circuit implemented in continuous ferromagnetic thin film

International audienceThe fabrication of a circuit capable of stabilizing skyrmions is important for the realization of micro- to nano-sized skyrmion devices.Ultralow power Brownian computers have been theoretically proposed and are a promising example of a skyrmion-based device. However,such devices have not been realized as it would require skyrmions to be stabilized and easily movable within a circuit. Skyrmion circuitsfabricated by the etching of ferromagnetic films often decrease the dipolar magnetic field stabilizing the skyrmions, thus preventing theirformation. In this study, a skyrmion Brownian circuit has been implemented in a continuous ferromagnetic film with patterned SiO2 cappingto stabilize the skyrmion formation. The patterned SiO2 capping controls the saturation field of the ferromagnetic layer and forms awire-shaped skyrmion potential well, which stabilizes skyrmion formation in the circuit. Moreover, using this patterned SiO2 capping, we haveimplemented a Y-junction hub circuit exhibiting no pinning site at the junction, contrary to conventional etched hubs. Thus, this techniqueenables the efficient control of skyrmion-based memory and logic devices to move closer toward the realization of Brownian computers

Resonant dynamics of skyrmion lattices in thin film multilayers: Localised modes and spin wave emission

Main text and supplemetary information, 23 pages in total, 11 figuresThe spectral signatures of magnetic skyrmions under microwave field excitation are of fundamental interest and can be an asset for high frequency applications. These topological solitons can be tailored in multilayered thin films, but the experimental observation of their spin wave dynamics remains elusive, in particular due to large damping. Here, we study [Pt/FeCoB/AlO$_x$] multilayers hosting dense and robust skyrmion lattices at room temperature with Gilbert damping of $\sim 0.02$. We use magnetic force microscopy to characterize their static magnetic phases and broadband ferromagnetic resonance to probe their high frequency response. Micromagnetic simulations reproduce the experiments with accuracy and allow us to identify distinct resonant modes detected in the skyrmion lattice phase. The low ( 12 GHz) mode corresponds to in-phase skyrmion core precession emitting spin waves into uniform background with wavelengths in the 50--80 nm range commensurate with lattice structure. These findings could be instrumental in the investigation of room temperature wave scattering and the implementation of novel microwave processing schemes in reconfigurable arrays of solitons