Thèse Stabilité et Détection des Textures de Spin Topologiques Tridimensionnelles par Ab Initio H/F - Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Université de Toulouse École doctorale : SDM - SCIENCES DE LA MATIERE - Toulouse Laboratoire de recherche : CEMES - Centre d'Elaboration de Matériaux et d'Etudes Structurales Direction de la thèse : Dongzhe LI ORCID 0000000309298125 Début de la thèse : 2026-10-01 Date limite de candidature : 2026-07-31T23:59:59 Les textures de spin topologiques occupent une place centrale dans le magnétisme moderne et suscitent un intérêt considérable, tant pour les études fondamentales que pour les applications en spintronique. Jusqu'à présent, les efforts de la communauté se sont principalement concentrés sur les structures topologiques de l'aimantation bidimensionnelles (2D), telles que les parois de domaine, les vortex et les skyrmions.

Dans ce projet, nous proposons d'étendre ce champ de recherche aux textures de spin topologiques tridimensionnelles (3DTST), au-delà des skyrmions 2D. Pour atteindre cet objectif, nous :
(i) développerons une approche multiéchelle innovante fondée sur les premiers principes, combinant théorie de la structure électronique et simulations de spins atomistiques pour l'étude des 3DTST ;
(ii) réaliserons un criblage computationnel à haut débit afin d'accélérer la découverte de matériaux susceptibles d'héberger des 3DTST, et explorerons leur stabilité ainsi que leur durée de vie en prenant en compte des interactions chirales topologiques (multi-spins) allant au-delà de l'échange de Heisenberg conventionnel (à deux spins) ;
(iii) étudierons la détection électrique des 3DTST au moyen de calculs de transport électronique fondés sur les premiers principes dans des géométries de dispositifs réalistes.
Multidimensional topological spin textures are currently of great interest in condensed matter
physics due to their rich science and potential applications in information technology. The simplest
topological structures, known as magnetic vortices, were discovered more than 25 years ago. Approximately
a decade later, the study progressed to magnetic skyrmions - topologically protected quasi-particles with
a whirling spin texture in real space. Scientists discovered skyrmions in magnetic
materials in 2009, and the observation of isolated skyrmions was reported in 2013. Unique properties of
skyrmions include their nanoscale size, good thermal stability, all-electrical manipulation and detection, and
all-optical switching, making them very promising for spintronic applications. Vortices and skyrmions are
spin textures confined in two dimensions (2D). More recently, the focus has shifted toward three-dimensional
topological spin textures (3DTST). In 3D systems, skyrmions can extend along the third
dimension to form string-like structures composed of stacked 2D skyrmions. Theory predicted the
emergence of chiral bobbers, which was subsequently confirmed experimentally using electron holography8.
Skyrmion cocoons were observed in magnetic multilayers. In addition, theory predicts the emergence of
magnetic hopfions, 3D topological solitons with vortex-like closed strings. Despite extensive efforts in
recent years, their direct observation has remained challenging and was initially achieved only in synthetic
systems. A breakthrough occurred in 2023 when scientists created and observed a stable hopfion in a
solid without geometrical confinement. This results in much smaller hopfions (down to a few nanometers)
being possible. Micromagnetic models, atomistic spin models, and density functional theory

(i) Solides connaissances en mécanique quantique, en physique de la matière condensée et en magnétisme ;
(ii) Diplôme de Master en physique ;
(iii) Bonnes compétences en programmation.

• Programmation
• Chimie