Thèse Modélisation de la Dynamique de Spin Induite par Courant dans de Nouveaux Objets Topologiques H/F

Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Université Grenoble Alpes
École doctorale : PHYS - Physique
Laboratoire de recherche : Spintronique et Technologie des Composants
Direction de la thèse : Vincent BALTZ ORCID 0000000276371938
Début de la thèse : 2026-10-01
Date limite de candidature : 2026-05-13T23:59:59

Les skyrmions compensés (CSk) sont de nouvelles textures magnétiques topologiques caractérisées par une aimantation nette nulle, que l'on rencontre dans les antiferromagnétiques (AF) et les altermagnétiques (AM). Ils suscitent un intérêt croissant en raison de la richesse de leur physique de spin et de leur potentiel en tant que porteurs d'information pour les futures technologies de spintronique classique et quantique. En levant récemment le verrou de la nucléation des skyrmions dans les aimants compensés, nous avons ouvert la voie à l'exploration de questions jusqu'ici inaccessibles. L'une d'elles concerne le transfert de moment angulaire entre les électrons de conduction et les CSk, ainsi que la dynamique de spin qui en résulte et les éventuelles déformations morphologiques de ces textures.
Ce projet vise à étudier ces phénomènes à l'aide de simulations de dynamique de spins à l'échelle atomistique, permettant d'analyser les couples induits par le courant et les dynamiques ultrarapides à l'échelle atomique. L'étude portera sur deux systèmes représentatifs, pour lesquels le vecteur de Néel et les paramètres topologiques peuvent être définis et suivis sans ambiguïté. Le modèle microscopique de spins sera paramétré à partir de calculs ab initio.
Le projet s'appuie sur l'expertise complémentaire de SPINTEC et de l'Institut Néel dans la modélisation de la spintronique antiferromagnétique et altermagnétique, ainsi que sur le rôle de premier plan de l'Université de York dans le développement d'outils de simulation atomistique.

The intrinsic topological properties of protected magnetic textures, such as skyrmions, confer strong topological robustness against external perturbations. These quasiparticles, whose size can reach a few nanometers, are yet readily manipulable, while preserving topology, and exhibit remarkable electrodynamic properties, making them promising candidates for classical and quantum information transport and processing in novel components compatible with spintronic devices. In intrinsically compensated materials such as antiferromagnets [1] and altermagnets [2,3], skyrmions combine advantageous properties [4 and references therein] compared to their more extensively studied ferromagnetic counterparts. In particular, the strong exchange coupling enforcing antiparallel alignment of the magnetic sublattices renders them robust to external magnetic fields and enables ultrafast dynamics in the terahertz range. Moreover, the topologically compensated nature of these objects gives rise to expectation of unique transport properties, including motion free from transverse deflection and invariance of the spin topological Hall effect.
Nevertheless, until recently, the actual exploitation of topological states in antiferromagnets and altermagnets remained hindered by the fundamental difficulty of controlling their order parameter due to the absence of net magnetization. We have recently overcome this limitation [5-7], thereby opening the way to address previously inaccessible questions in this field.
A key open question, which we propose to tackle in this project, concerns the transfer of angular momentum between conduction electrons and compensated skyrmions, and the resulting spin dynamics and possible morphological distortions, with particular attention to possible altermagnetism-induced specificities in skyrmion dynamics.

Understand the transfer of angular momentum between conduction electrons and compensated skyrmions, and the resulting spin dynamics and possible morphological distortions, with particular attention to possible altermagnetism-induced specificities in skyrmion dynamics

Atomistic modelling :
- Designing heterostructures, crystals, and tuning atomic interactions using the VAMPIRE software [8].
- Conducting highly parallelized simulations on calculation servers in a Unix environment : ARCHER in the UK and MeluXina CPU in Luxembourg - UKRI and EU-funded access recently granted.
- Post-processing and visualizing data using available software and custom Python scripts.
- Interpreting static and spin dynamic data, including their topological features.
Ab-initio calculations :
- Conducting first-principles electronic-structure calculations based on Density Functional Theory, using VASP or Quantum Expresso and TB2J, we will calculate ground-state properties such as total energies, magnetic exchange energies, DMI, magnetic moments, charge and spin densities, band structures, and density of states. These will link to higher level atomistic calculations providing a detailed multi-scale approach to the calculation of magnetic properties and magnetisation dynamics.
Note for the ED reviewers : detailed information on the PhD work program from the start of the project (T0) to its completion (T36) is provided in the confidential PDF file attached to this offer.