Accessing antiferromagnetism in metallic thin films through anomalous Hall effect

The unprecedented technological progress of the last few decades is intimately bound to the possibility to store large amount of information in a fast, energy‑efficient and non‑volatile way. Among all the solid state technologies under development, antiferromagnet (AFM)‑based memories may offer many advantages compared to the currently available magnetic random‑access memories: larger storage density, faster information processing, and robustness against external magnetic perturbation could be achieved. However, the most challenging task to accomplish remains the electrical writing and reading of the information encoded by the magnetic state of the AFM. This thesis work deals with the design and development of an experimental setup, called spinning current Hall magnetometer, aiming at investigating the relationship among the magnetic ordering in AFMs and their electrical conduction properties. This setup provides a state‑of‑the‑art sensitivity to out‑of‑plane magnetic moments while being readily and cost‑effectively feasible in most academic laboratories. The technique has been initially validated on the ferromagnetic heterostructure Ta/CoFeB/MgO and on the antiferromagnetic alloy IrMn. Then, the spinning current Hall magnetometer was used to investigate the Pt/Cr heterostructure, comprising antiferromagnetic (Cr) and nonmagnetic (Pt) metals. The existence of a finite magnetic moment induced in Pt by the magnetic proximity interaction with Cr, predicted by ab‑initio calculations, has been proved. This induced moment can be controlled by means of magnetic field cooling across the Néel temperature of the AFM layer and is stable against external perturbations in the AFM phase. These findings highlight that proximity effects constitute a powerful method to convert the magnetic ordering in AFMs into a finite magnetization within a neighbouring metal. The possibility to measure electrically this effect might open new pathways towards the realization of AFM‑based memory devices.

Lo sviluppo tecnologico senza precedenti degli ultimi anni è intimamente vincolato alla possibilità di immagazzinare gradi quantità di informazioni in maniera non volatile, rapida e con basso dispendio energetico. Memorie realizzate con materiali antiferromagnetici (AFM) offrirebbero molti vantaggi rispetto ad altre tecnologie in via di sviluppo. Se comparate alle random‑access memories magnetiche attualmente disponibili, esse garantirebbero una maggior densità di memorizzazione, robustezza rispetto a campi magnetici esterni e un’elaborazione più rapida delle informazioni. Tuttavia, la scrittura e la lettura elettrica dello stato magnetico dell’AFM costituiscono delle sfide tecnologiche fondamentali da affrontare. Il presente lavoro descrive lo sviluppo di un setup sperimentale, chiamato magnetometro Hall a correnti rotanti, volto ad investigare l’influenza dell’ordinamento magnetico sulle proprietà di conduzione di un AFM. Tale setup fornisce una sensibilità di misura della componente fuori dal piano di momenti magnetici comprabile con lo stato dell’arte pur essendo economicamente e rapidamente realizzabile nella maggior parte dei laboratori accademici. La tecnica è stata inizialmente testata sulla ben nota eterostruttura ferromagnetica Ta/CoFeB/MgO e sulla lega antiferromagnetica IrMn. Successivamente il magnetometro è stato utilizzato per studiare l’eterostruttura Pt/Cr, composta da un metallo antiferromagnetico (Cr) e da uno non magnetico (Pt). I risultati dimostrano l’esistenza di un momento magnetico indotto nel Pt dall’interazione di prossimità magnetica con il Cr, in accordo con quanto predetto da calcoli ab‑initio. Raffreddando il sistema in un campo magnetico esterno attraverso la temperatura di Néel dell’AFM, è possibile controllare tale momento indotto che resulta invece insensibile a campi esterni quando il sistema transisce nella fase AFM. Questi risultati evidenziano come gli effetti di prossimità permettano di identificare l’ordine magnetico nell’AFM, traducendolo in una magnetizzazione indotta nel metallo adiacente. La possibilità di misurare elettricamente questo effetto può offrire nuovi spunti per la realizzazione di memorie basate sull’impiego di antiferromagneti.