Manipulation optique des textures topologiques de spin dans les aimants van der waals 2d // optical manipulation of topological spin textures in 2d van der waals magnets

Topic description

Les progrès rapides des technologies de l'information, en partie dus à la demande énergétique croissante de l'intelligence artificielle et du calcul intensif, sont de plus en plus freinés par les limites de la loi de Moore. La miniaturisation continue des transistors entraîne une augmentation de la consommation d'énergie, de la dissipation thermique et des courants de fuite, ce qui soulève des inquiétudes quant à l'efficacité et à la durabilité des appareils électroniques conventionnels.

Ces défis ont motivé le développement d'approches spintroniques pour le stockage et le traitement des données à faible consommation d'énergie. Les skyrmions magnétiques sont apparus comme des supports d'information prometteurs en raison de leur taille nanométrique, de leur stabilité topologique et de leur nature de quasi-particules. Cependant, malgré des progrès significatifs, le contrôle fiable et frugal en énergie de la nucléation et du mouvement des skyrmions reste un obstacle majeur à leurs applications pratiques.

Les ferromagnétiques bidimensionnels (2D) de van der Waals (vdW) constituent une plateforme matérielle prometteuse pour héberger des skyrmions à la fois stables et très mobiles. Leurs interfaces atomiquement planes et leur compatibilité avec les hétérostructures multimatières permettent une ingénierie polyvalente des interactions magnétiques, y compris l'interaction Dzyaloshinskii-Moriya (DMI). De plus, leur extrême finesse renforce les effets interfaciaux. Le ferromagnétique 2D Fe₃GaTe₂, récemment découvert, est particulièrement intéressant, car il reste magnétique au-dessus de la température ambiante [1].

Dans le cadre de ce projet, nous explorerons de nouvelles méthodes pour créer et manipuler des skyrmions et des textures de spin topologiques associées à l'aide de courants électriques et d'impulsions laser ultrarapides. Les travaux récents de M. Dąbrowski et al. [2,3] à l'université d'Exeter ont démontré la manipulation optique des spins dans plusieurs systèmes magnétiques 2D, y compris la commutation topologique des skyrmions à des températures cryogéniques. Sur cette base, l'objectif de ce projet est de parvenir à un contrôle déterministe et économe en énergie des textures topologiques de spin à température ambiante à l'aide d'hétérostructures incorporant du Fe₃GaTe₂ d'épaisseur atomique. L'un des éléments clés du succès du projet est l'intégration du Fe₃GaTe₂ à une large gamme de matériaux fonctionnels, rendue possible par l'équipe Imaging and Dynamics of Magnetism (IDMAG) de l'Université Paris-Saclay. L'équipe IDMAG a développé une expertise dans l'exfoliation et l'intégration du Fe₃GaTe₂ dans des hétérostructures contenant des films métalliques évaporés et des empilements vdW, fabriqués sous vide ou dans des conditions inertes afin de garantir la propreté des interfaces. L'équipe possède également une solide expertise dans la quantification du DMI [4,5], essentiel à la stabilisation des skyrmions.
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Rapid progress in information technology, driven in part by the growing energy demands of artificial intelligence and data-intensive computing, is increasingly constrained by the limits of Moore's Law. Continued transistor scaling results in higher power consumption, heat dissipation, and leakage currents, raising concerns about the efficiency and sustainability of conventional electronic devices.

These challenges have motivated the development of spintronic approaches for low-power data storage and processing. Magnetic skyrmions have emerged as promising information carriers due to their nanoscale size, topological stability, and quasiparticle nature. However, despite significant advances, reliable and energy-efficient control of skyrmion nucleation and motion remains a major obstacle to practical applications.

Two-dimensional (2D) van der Waals (vdW) magnets provide a promising materials platform for hosting skyrmions that are both stable and highly mobile. Their atomically flat interfaces and compatibility with multi-material heterostructures allow versatile engineering of magnetic interactions, including the Dzyaloshinskii–Moriya interaction (DMI). In addition, their extreme thinness enhances interfacial effects. The recently discovered 2D magnet Fe₃GaTe₂ is particularly attractive, as it remains magnetic above room temperature [1].

In this project, we will explore novel methods to create and manipulate skyrmions and related topological spin textures using electric currents and ultrafast laser pulses. Recent work by M. Dąbrowski et al. [2,3] at the University of Exeter demonstrated optical manipulation of spins in several 2D magnetic systems, including topological switching of skyrmions at cryogenic temperatures. Building on this foundation, the aim of this project is to achieve deterministic and energy-efficient control of topological spin textures at room temperature using heterostructures incorporating atomically thin Fe₃GaTe₂.

A key element of the project's success is the integration of Fe₃GaTe₂ with a wide range of functional materials, enabled by the Imaging and Dynamics of Magnetism (IDMAG) team at Université Paris-Saclay. IDMAG has developed expertise in exfoliating and integrating Fe₃GaTe₂ into heterostructures containing evaporated metallic films and vdW stacks, fabricated either in vacuum or under inert conditions to ensure clean interfaces. The team also has strong expertise in quantifying DMI [4,5], which is essential for skyrmion stabilisation.
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Début de la thèse : 01/10/

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Funding further details

Programme UPSaclay-Exeter (ADI)