Ref HAL: hal-03177332_v1
DOI: 10.1038/s41467-021-20995-x
WoS: WOS:000617330000011
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Résumé:

Antiferromagnetic materials are promising platforms for next-generation spintronics owing to their fast dynamics and high robustness against parasitic magnetic fields. However, nanoscale imaging of the magnetic order in such materials with zero net magnetization remains a major experimental challenge. Here we show that non-collinear antiferromagnetic spin textures can be imaged by probing the magnetic noise they locally produce via thermal populations of magnons. To this end, we perform nanoscale, all-optical relaxometry with a scanning quantum sensor based on a single nitrogen-vacancy (NV) defect in diamond. Magnetic noise is detected through an increase of the spin relaxation rate of the NV defect, which results in an overall reduction of its photoluminescence signal under continuous laser illumination. As a proof-of-concept, the efficiency of the method is demonstrated by imaging various spin textures in synthetic antiferromagnets, including domain walls, spin spirals and antiferromagnetic skyrmions. This imaging procedure could be extended to a large class of intrinsic antiferromagnets and opens up new opportunities for studying the physics of localized spin wave modes for magnonics.

Ref HAL: tel-03703293_v1
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Résumé:

La capacité à imager des distributions de champ magnétique avec une sensibilité élevée et une résolution spatiale nanométrique, est devenue d'une importance primordiale dans un grand nombre de domaines. On peut ici citer l'étude d’espèces biomagnétiques, le géomagnétisme, la matière condensée, ou la microélectronique par exemple. Cette thèse porte sur une technique d'imagerie magnétique hautement résolue qui repose sur le spin unique d'un défaut ponctuel (le centre NV) dans le diamant. Ce défaut se comporte comme une molécule individuelle fluorescente logée à l'intérieur de la matrice de diamant; à ce défaut est associé un spin qui peut être adressé optiquement. Ce spin peut être utilisé comme un magnétomètre de taille atomique: le champ magnétique au voisinage du centre NV est mesuré à partir du décalage Zeeman lu sur le spectre de résonance magnétique détecté optiquement.Au cours de ma thèse, j'ai travaillé à étendre la magnétométrie NV à balayage vers un fonctionnement à des températures cryogéniques. L’élément principal du magnétomètre consiste en une sonde en diamant hébergeant un centre NV unique, qui est montée sur un microscope à force atomique (AFM) fonctionnant à 4 K. Les performances de ce magnétomètre sont évaluées en cartographiant le champ magnétique produit par des couches minces ferromagnétiques. Deux modes de fonctionnement peuvent être utilisés. Dans le régime de champ magnétique faible (< 5 mT), une cartographie quantitative des champs magnétiques de fuite peut être mise en œuvre en enregistrant le spectre de résonance de spin. Dans le régime de champ magnétique élevé (> 5 mT), la distribution du champ magnétique de fuite peut être obtenue qualitativement, en enregistrant simplement le niveau de photoluminescence du centre NV.Ce mode d'extinction de photoluminescence est ici appliqué pour explorer la physique des skyrmions magnétiques dans des couches minces ferromagnétiques. Ces structures de spin avec une aimantation tourbillonnante, sont très prometteuses pour le stockage et le traitement d'informations à l'échelle nanométrique dans les futurs dispositifs de mémoire et de logique. Nous étudions d'abord le rôle du désordre structurel et de l'histoire magnétique sur la morphologie de skyrmions magnétiques. Ces travaux sont ensuite étendus à l'étude des alliages de Heusler, une classe de matériaux ferromagnétiques à coefficient d'amortissement magnétique intrinsèquement faible. Nous démontrons la première stabilisation des skyrmions magnétiques dans ces matériaux prometteurs ainsi qu'un processus efficace de nucléation induit par le courant. Pourtant, malgré le faible coefficient d'amortissement magnétique, le déplacement des skymions induit par le courant reste limité par de forts effets de piégeage. Enfin, nous démontrons la stabilisation de skyrmions de 60 nm de diamètre sous champ magnétique externe nul et à température ambiante, dans un empilement optimisé de couches couplées par polarisation d’échange.La magnétométrie à centre NV peut également être développée suivant des configurations d'imagerie à champ large. Dans ces expériences, la sonde en diamant consiste généralement en un substrat de diamant hébergeant des centres NV près de la surface. Nous nous sommes concentrés sur l'optimisation de ces sondes en diamant pour améliorer la sensibilité de ces imageurs magnétiques. Divers paramètres ont un impact sur cette sensibilité; ceux-ci incluent le contrôle de la localisation en profondeur, de la densité et de l'orientation des centres NV. Nous proposons ici une nouvelle stratégie pour obtenir, par dépôt chimique en phase vapeur, des centres NV à orientation préférentielle. Cette stratégie s'appuie sur un contrôle de la température de croissance effectuée sur un substrat orienté (113). Nous combinons ensuite cet effet avec l'incorporation dépendante de la température des centres NV pour produire un échantillon de diamant présentant une couche dense de centres NV préférentiellement alignés.

Ref HAL: hal-02428517_v1
Ref Arxiv: 2001.00912
DOI: 10.1103/PhysRevApplied.13.044079
WoS: 000529842800003
Ref. & Cit.: NASA ADS
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1 Citation
Résumé:

We demonstrate that magnetic skyrmions with diameters around 60 nm can be stabilized at room temperature and zero external magnetic field in an exchange-biased Pt/Co/NiFe/IrMn multilayer stack. This is achieved through an advanced optimization of the multilayer stack composition in order to balance the different magnetic energies controlling the skyrmion size. Magnetic imaging is performed both with magnetic force microscopy and scanning Nitrogen-Vacancy magnetometry, the latter providing unambiguous measurements at zero external magnetic field. In such samples, we show that exchange bias provides an immunity of the skyrmion spin texture to moderate external magnetic field, in the tens of mT range, which is an important feature for applications as memory devices. These results establish exchange-biased multilayer stacks as a promising platform towards the effective realization of memory and logic devices based on magnetic skyrmions.

Commentaires: 5 pages, 3 figures

Ref HAL: hal-02302063_v1
DOI: 10.1016/j.diamond.2019.04.022
WoS: WOS:000474324600011
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3 Citations
Résumé:

Control of the crystalline orientation of nitrogen-vacancy (NV) defects in diamond is here demonstrated by tuning the temperature of chemical vapor deposition (CVD) growth on a (113)-oriented diamond substrate. We show that preferential alignment of NV defects along the [111] axis is improved when the CVD growth temperature is decreased, leading to $79\%$ preferential orientation at 800°C, as compared to only 47.5% at 1000°C. This effect is then combined with temperature-dependent incorporation of NV defects during the CVD growth to obtain preferential alignment over dense ensembles of NV defects spatially localized in thin diamond layers. These results demonstrate that growth temperature can be exploited as an additional degree of freedom to engineer optimized diamond samples for quantum sensing applications.

Ref HAL: hal-02100883_v1
DOI: 10.1103/PhysRevApplied.11.034066
WoS: WOS:000462958100004
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7 Citations
Résumé:

We demonstrate room-temperature stabilization of dipolar magnetic skyrmions with diameters in the range of 100 nm in a single ultrathin layer of the Heusler alloy Co2FeAl (CFA) under moderate magnetic fields. Current-induced skyrmion dynamics in microwires is studied with a scanning nitrogen-vacancy magnetometer operating in the photoluminescence quenching mode. We first demonstrate skyrmion nucleation by spin-orbit torque and show that its efficiency can be significantly improved using tilted magnetic fields, an effect that is not specific to Heusler alloys and could be advantageous for future skyrmion-based devices. We then show that current-induced skyrmion motion remains limited by strong pinning effects, even though CFA is a magnetic material with a low magnetic damping parameter.

Ref HAL: hal-01781380_v1
DOI: 10.1103/PhysRevMaterials.2.024406
WoS: WOS:000426041400004
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19 Citations
Résumé:

Nitrogen-vacancy magnetic microscopy is employed in quenching mode as a non-invasive, high resolution tool to investigate the morphology of isolated skyrmions in ultrathin magnetic films. The skyrmion size and shape are found to be strongly affected by local pinning effects and magnetic field history. Micromagnetic simulations including a static disorder, based on the physical model of grain-to-grain thickness variations, reproduce all experimental observations and reveal the key role of disorder and magnetic history in the stabilization of skyrmions in ultrathin magnetic films. This work opens the way to an in-depth understanding of skyrmion dynamics in real, disordered media.

Ref HAL: hal-01632358_v1
DOI: 10.1038/nature23656
WoS: WOS:000410555900041
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83 Citations
Résumé:

Although ferromagnets have many applications, their large magnetization and the resulting energy cost for switching magnetic moments bring into question their suitability for reliable low-power spintronic devices. Non-collinear antiferromagnetic systems do not suffer from this problem, and often have extra functionalities: non-collinear spin order may break space- inversion symmetry and thus allow electric-field control of magnetism or may produce emergent spin–orbit effects that enable efficient spin–charge interconversion. To harness these traits for next-generation spintronics, the nanoscale control and imaging capabilities that are now routine for ferromagnets must be developed for antiferromagnetic systems. Here, using a non-invasive, scanning single-spin magnetometer based on a nitrogen–vacancy defect in diamond, we demonstrate real- space visualization of non-collinear antiferromagnetic order in a magnetic thin film at room temperature. We image the spin cycloid of a multiferroic bismuth ferrite (BiFeO3) thin film and extract a period of about 70 nanometres, consistent with values determined by macroscopic diffraction. In addition, we take advantage of the magnetoelectric coupling present in BiFeO$_3$ to manipulate the cycloid propagation direction by an electric field. Besides highlighting the potential of nitrogen–vacancy magnetometry for imaging complex antiferromagnetic orders at the nanoscale, these results demonstrate how BiFeO$_3$ can be used in the design of reconfigurable nanoscale spin textures.