Axisymmetric magnetic strings with a fixed sense of rotation and nanometer sizes (chiral magnetic vortices or Skyrmions) have been predicted to exist in a large group of non-centrosymmetric crystals more than two decades ago. Recently these extraordinary magnetic states have been directly observed in thin layers of cubic helimagnet (Fe,Co)Si. In this thesis we apply our earlier theoretical findings and recent results to review main properties of chiral Skyrmions, to elucidate their physical nature, and to analyse these recent experimental results on magnetic-field-driven evolution of Skyrmions and helicoids in chiral helimagnets. Concentrating on the physical side of the problem rather than on mathematical details we give an elementary introduction into the properties of chiral Skyrmions in magnetism.

Le caractère ultra-mince de couches magnétiques y exacerbe les effets d’interfaces. Dans ces systèmes, l’interaction d'échange dite "de Dzyaloshinskii-Moriya" (DMI) est autorisée par la brisure de symétrie d'inversion inhérente aux interfaces. Contrairement à l’interaction d’échange de Heisenberg, la DMI favorise une rotation de l’état d’aimantation, et ce avec une chiralité donnée. L'existence de la DMI dans les films ultra-minces était jusqu’à récemment sujette à débat, de sorte qu'il est apparu nécessaire de la quantifier et de caractériser ses manifestations observables. En partenariat avec le National Institute of Materials Science, le laboratoire Aimé Cotton et le laboratoire des Sciences des Procédés et des Matériaux, j'ai caractérisé l’interaction de Dzyaloshinskii-Moriya dans des films de CoFeB/MgO avec différentes couches tampons. Ce système matériau d’intérêt technologique reste suffisamment simple pour permettre une modélisation sans équivoque. Les méthodes utilisées recouvrent le déplacement de paroi de domaine dans un régime de reptation par microscopie magnéto-optique, la cartographie des champs de fuite de paroi par centre NV et la spectroscopie d’onde de spin par diffusion Brillouin. Quand l’interaction de Dzyaloshinskii-Moriya est relativement faible, ces différentes méthodes s'accordent quant à son amplitude et son signe. Néanmoins dans le cas général, les différentes façons de mesurer de l’interaction de Dzyaloshinskii-Moriya ne convergent pas vers des valeurs consensuelles. Pour comprendre ces différences, j’ai modélisé le comportement des parois de domaine sous champ planaire. J’ai montré qu’il existe un domaine en champ planaire où l’interaction de Dzyaloshinskii-Moriya déstabilise les parois rectilignes en formant préférentiellement des parois en Zigzag. L’élasticité des parois de domaine en est dramatiquement modifiée. Le champ dipolaire dans les parois de domaine amplifie ce phénomène. La reptation de paroi nécessite aussi la bonne compréhension du piégeage des parois de domaine. J’ai développé un modèle permettant d’estimer les champs de dépiégeage en fonction des différents paramètres matériau. Ce modèle permet aussi d’expliquer le comportement à haute fréquence des parois dans les échantillons en présence de défauts d’anisotropie variable. / In ultrathin ferromagnetic layer all interfacial effects are strongly enhanced. In these systems the so-called “Dzyaloshinskii-Moriya” exchange interaction (DMI) is allowed due to the inversion symmetry breaking at the interface. Unlike the Heisenberg exchange interaction, the DMI promotes rotation of the magnetization with a given chirality. Until recently, the DMI in ultrathin layer was a matter of debate and it has been needed to quantify and characterize its effects on the magnetization. In close relation with the National Institute of Materials Science, the laboratoire Aimé Cotton and the laboratoire des Sciences des Procédés et des Matériaux, I have characterized the Dzyaloshinskii-Moriya interaction in CoFeB/MgO films with different underlayers. This materials system presents a technological interest while keeping a low complexity for models its dynamics easily. The diverse used methods cover the field driven creep dynamic observed by Magneto-Optical Kerr Effect microscopy, the mapping of dipolar field by NV-center magnetometer and the spin wave spectroscopy measured Brillouin Light Scattering. When the DMI is relatively weak these different methods are in accordance with its sign and its order of magnitude. However the different methods do not converge to similar DMI values. I used a model to understand the behavior of domain wall under in-plane magnetic field. I have shown that there is an in-plane field range where the DMI destabilize a straight domain wall while stabilizing Zig-Zag walls. The elasticity is then dramatically modified. The dipolar energy enhances this phenomenon. The domain wall creep also needs a good understanding of the domain wall pinning. I developed a model to estimate the depinning field with respect to the different material parameters. This model also allows explaining of the high frequency behavior of pinned domain wall in samples containing variable anisotropy defects.

Axisymmetric magnetic strings with a fixed sense of rotation and nanometer sizes (chiral magnetic vortices or Skyrmions) have been predicted to exist in a large group of non-centrosymmetric crystals more than two decades ago. Recently these extraordinary magnetic states have been directly observed in thin layers of cubic helimagnet (Fe,Co)Si. In this thesis we apply our earlier theoretical findings and recent results to review main properties of chiral Skyrmions, to elucidate their physical nature, and to analyse these recent experimental results on magnetic-field-driven evolution of Skyrmions and helicoids in chiral helimagnets. Concentrating on the physical side of the problem rather than on mathematical details we give an elementary introduction into the properties of chiral Skyrmions in magnetism.

This thesis presents renormalization group (RG) analyses of two strongly correlated condensed matter systems. In the first part, the phase diagram of the spin-$\frac{1}{2}$ Heisenberg antiferromagnetic model on a spatially anisotropic triangular lattice is discussed. This model, together with a Dzyaloshinskii-Moriya (DM) interaction, describes the magnetic properties of the layered Mott insulator Cs$_{2}$CuCl$_{4}$. Employing a real-space RG approach, it is found, in agreement with a previous similar study, that a fragile collinear antiferromagnetic (CAF) state can be stabilized at sufficiently strong anisotropies. The presented RG analysis only indicates the presence of the CAF and spiral states in the phase diagram, with no extended quantum-disordered state at strong anisotropies. Specifically, it reveals a fine-tuning of couplings that entails the persistence of ferromagnetic correlations between second-nearest chains over large length scales even in the CAF phase. This has important implications on how numerical studies on finite-size systems should be interpreted, and reconciles the presence of the CAF state with the observation of only ferromagnetic correlations in numerical studies. The effect of a weak DM interaction within this RG approach is examined. It is concluded that Cs$_{2}$CuCl$_{4}$ is well within the stability region of the spiral ordering. In the second part, the fate of a neck-narrowing Lifshitz transition in two-dimensions and in the presence of weak interactions is studied. Such a transition is a topological quantum phase transition, with no change in symmetry. At the critical point of this transition, the density of states at the Fermi energy is logarithmically divergent and a van Hove singularity appears. It is found that, at the critical point, the Wilsonian effective action is intrinsically non-local. This non-locality is attributed to integrating out an emergent soft degree of freedom. Away from the critical point, a local perturbative RG description is presented, and it is shown that weak attractive interactions grow as $\log^2L$ ($L$ is the physical length). However, this local description is restricted to a finite momentum range that shrinks as the critical point is approached. / Thesis / Candidate in Philosophy

Un des challenges actuels dans le domaine de la spintronique est son extension vers des systèmes dits de nanospintronique, où les dimensions sont réduites à l’échelle du nanomètre, avec comme système modèle un nano-aimant unique. La découverte de nouveaux moyens pour contrôler l’aimantation dans ces nano-aimants, pourrait avoir des applications pour les technologies de l’information. Dans le cadre de cette thèse nous nous sommes intéressés plus particulièrement aux nouveaux effets liés à l’accumulation de charges électriques au sein de films magnétiques ultraminces, aussi appelés effets de champ électrique. Nous avons étudié l’effet de l’application d’un champ électrique sur les différents paramètres magnétiques propres à nos films, via des mesures de magnéto-transport et magnéto-optique. Ces mesures ont été conduites sur une tri-couche de Pt/Co/AlOx présentant un gradient d’oxydation pour l’alumine. L’oxydation de cette interface étant contrôlée à l’échelle nanométrique, une large gamme de paramètres magnétiques est donc accessible au sein d’un seul et même échantillon. Ceci représente un très bon outil d’étude pour les différents phénomènes intervenant dans ces tri-couches. La caractérisation fine de ces échantillons a permis de mettre en évidence une zone pour laquelle des propriétés très intéressantes ont été observées (domaines spontanément désaimantés, bulles skyrmioniques). La proximité de la température de Curie (Tc) de cette zone avec la température de mesure (ambiante) en est la cause principale. Ces bulles skyrmioniques font actuellement l’objet de beaucoup de recherche au niveau national et international, étant considérées comme potentiellement très attractives pour des applications de type mémoire et logique magnétique. L’originalité de ce travail de thèse a été de montrer que ces bulles skyrmioniques sont fortement influencées par le champ électrique, dû au fort contrôle des propriétés magnétiques de cette zone (anisotropie, champ coercitif, aimantation à saturation, facteur DMI). Nous proposons le design d’un interrupteur nanométrique permettant de créer ou effacer ces bulles skyrmioniques grâce à un champ électrique, levant ainsi un verrou important pour la mémoire/logique magnétique basée sur ces bulles skyrmioniques. La potentialité de ces nouveaux effets pour réaliser un renversement ’aimantation/une création de bulles skyrmioniques, assistés par champ électrique, a été étudiée à des plages de températures et d’anisotropies adaptées pour ces applications (température ambiante). / A current challenge in the field of spintronics is the development of functional nanospintronics systems, in which the dimensions of the device are confined to the nanometer scale. The model system is called a single nano-magnet. New possible routes to control its magnetisation could be useful for many applications, in particular, those in the area of information technology. During this PhD, we chose to study the particular effects that are linked to the electric charge accumulation in the nano-magnet. This effect, also known as the electric field effect, were studied on the different magnetic properties of our films. They were probed by magneto-transport and magnetooptical measurements. These measurements were conducted on asymmetric Pt/Co/AlOx trilayers. These structures were sputter-deposited on a wedge shape for the alumina. This leadingto a nanometric control of the oxidation degree of the interface. Then, a wide range of magnetic parameters is available on a unique sample. Systematic caracterization of these structures showed an interesting zone for magnetic properties (spontaneous striped domains, skyrmionic bubbles). The observation of this type of magnetic object is directly linked to the weak Curie temperature(Tc) of this zone (close to room temperature. Skyrmionic bubbles are subject to lots of international studies. They are potentially attractive for memories or logic devices development. The key result of this PhD was to show the strong dependence of magnetic skymionic bubbles with electric field application. The full electrical switch of these objects has been achieved, due to the strong electrical control of the different magnetic properties. To induce electric-field assisted magnetisation reversal/skyrmionic bubbles nucleation, studies were performed for an adapted range of temperatures and anisotropies (room temperature).

Des mesures d’ondes de spin propagatives ont été réalisées pour caractériser deux effets de l’interaction spin-orbite ainsi que le transport électrique dépendant du spin. Les effets du couplage spin-orbite ont été étudiés dans des bicouches nickel-fer/platine. Dans ces films, les fréquences de deux ondes de spin contre-propageantes ne sont pas les mêmes, ce qui est attribué à l’effet combiné d’une interaction magnétique chirale appelée interaction Dzyaloshinskii-Moriya et d’une asymétrie dans l’épaisseur du film magnétique. En appliquant le courant électrique dans ce système nous avons observé une modification du taux de relaxation de l’onde de spin qui est attribuée au transfert de spin induit par effet Hall de spin. D’autre part, les études de propagation d’ondes de spin dans une couche mince de fer épitaxié à température ambiante ont montré une polarisation en spin du courant électrique de 83%, ce qui est attribué à une forte asymétrie du couplage électron-phonon. / Propagating spin wave measurements were realised to characterize two spin-orbit related phenomena, as well as spin dependent electrical transport. The effects of spin-orbit coupling have been studied in nickel-iron/platinum bilayers. It has been shown that in these films the frequencies of two counter-propagating spin waves are not the same, which is attributed to the combined effects of a chiral magnetic interaction named Dzyaloshinskii-Moriya interaction and an asymmetry of the magnetic properties across the film thickness. By applying an electrical current in such system we have observed a modification of the spin wave relaxation rate due to the spin transfer torque induced by spin Hall effect. On the other hand, from the study of spin wave propagation in thin epitaxial iron films at room temperature, a degree of spin polarization of the electrical current of 83% was extracted, which is attributed to a significant spin-asymmetry of the electron-phonon coupling.

Le BaCu2Ge2O7 est le meilleur composé à chaînes de spins S=1/2 AFM possédant l'interaction Dzyaloshinskii-Moriya (DM) avec un échange J=540K et TN=8.5K. Nous avons effectué des mesures de résonance antiferromagnétique (RAFM) multifréquences ce qui a permis de mettre en évidence la présence de deux sources de champ alterné induit (hST) : l'interaction DM et le tenseur g. Nous avons également pu mesurer directement l'amplitude de l'interaction DM. Des mesures de RPE en bande X nous ont montré un comportement linéaire en T de ΔH(T), une inversion relative de ΔH(T) des axes principaux à basse température et l'absence de phénomène critique de la raie RPE à l'approche de TN. La différence observée entre χRPE et χStatic laisse présager un second mode RPE non observé. Des mesures de RPE à plus haute fréquence ont montré qu'en absence de hST, ΔH(T) est indépendant de H et qu'en présence de hST, ΔH(T) diverge en (hST/T)² ce qui est en accord avec la récente théorie d'Oshikawa-Affleck.

L'étude du déplacement des parois de domaine magnétique au moyen d'un courant électrique a généré beaucoup d'intérêt ces dernières années, notamment depuis que de nouveaux dispositifs mémoire utilisant cet effet ont été proposés. Récemment, un nouveau mécanisme capable de propager les parois sous courant avec une grande efficacité a été mis en évidence dans des matériaux tri-couches à anisotropie perpendiculaire et fort couplage spin-orbite. La compréhension de ce mécanisme, appelé couple de spin-orbite (SOT), reste néanmoins très incomplète, tout comme celle de son effet sur la propagation des parois de domaines. L'objectif de ce travail de thèse a été d'étudier l'influence du SOT sur la dynamique des parois de domaine. Pour cela, j'ai étudié expérimentalement le déplacement de parois sous l'action d'un courant et d'un champ magnétique dans une tri-couche de Pt/Co/AlOx. Un champ magnétique planaire, statique, a été utilisé pour modifier la structure interne de la paroi et ainsi moduler l'action du SOT sur la dynamique de celle-ci. Ce travail a permis de mettre en évidence l'existence d'un effet " chiral " dans la dynamique de la paroi pour ce type de système. Pour expliquer ce résultat, nous avons proposé une nouvelle structure de paroi dans les matériaux ultra-minces à anisotropie perpendiculaire, résultant de l'interaction Dzyaloshinskii-Moriya. En combinant des calculs analytiques et des simulations micro-magnétiques, la dynamique de telles parois a été étudiée et comparée aux résultats expérimentaux. Les désaccords que nous avons alors pu observer nous ont amené à proposer une seconde interprétation basée sur la présence d'un mécanisme d'amortissement anisotrope.

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Bismuth ferrite (BFO) is a multiferroic material with cross-correlation between magnetic and electric orders. With no applied external fields the spin structure of BFO is anitferromagnetic and cycloidal. This ordering prevents the detection of the weak ferromagnetism known to exist in the material. The application of magnetic and electric fields of suitable strength and direction is capable of compelling the Fe3+ spins to align in a homogeneous, antiferromagnetic fashion. This report details how numerical methods were used to simulate the spin alignment of a BFO system under different fields. The results were compiled into electric field-magnetic field phase diagrams of BFO to show the divide between cycloidal and homogeneous systems. / Graduate / 0607 / 0611 / marca@uvic.ca