Characterization of spin-orbit torque in single layer of compensated, ferrimagnetic half-metalic material Mn_2Ru_xGa

During the last years, Spin-Orbit Torque (SOT) has been considered as one the most promising effect to boost the integration of spintronics into classical electronics. In the present work, it is studied from an experimental point of view a peculiar manifestation of SOT, which happens in single layer of Mn_2Ru_xGa (MRG), a ferrimagnetic, half metallic compensated material. Due to the particular symmetry of its crystal, in MRG films it is self-induced an additional polarization of the current. Such polarization is non-collinear with the magnetization, thus it exerts a torque on the magnetic moments of the lattice. In order to investigate SOT it was studied the change of the out of plane magnetization induced by the injection of an high current density. This out of plane magnetization was tracked exploiting the Anomalous Hall Effect (AHE), recording the transversal Hall voltage arising from the injection of a longitudinal current. Initially, it was studied the low current regime, in which the extra polarization of the flowing electrons is assumed to be linear as a function of the current density. In this regime the study was focused on the estimation of field-like and damping-like parameters, which relate the current density with the effective Spin-Orbit field. Once estimated those two parameters, the current density was further increased and a strongly non-linear behavior was observed. In this regime SOT effect is huge, it almost switches the magnetization of the sample when the current density approaches the limit value sustainable by the device. The investigation of SOT effect in ferrimagnets or antiferromagnets is particularly interesting because it is the most effective way to excite a dynamics in these materials, which are weakly sensitive to a magnetic field. The huge interest that is growing around exciting a dynamics in such materials is due to the fact that they possess a resonance frequency which lies in the terahertz range. Nowadays, it does not exist an electronics device which is able to operate in the terahertz range so it would be a breakthrough to engineer a device based on MRG to be integrated into classical electronics.

Nel corso degli ultimi anni gli effetti di Spin Orbit Torque (SOT) sono stati fra i candidati più promettenti per promuovere l'integrazione della spintronica nel mondo dell'elettronica tradizionale. Nel presente lavoro è stata studiata una particolare manifestazione dell'effetto di SOT osservabile in film sottili di Mn2RuxGa (MRG), un 'ferrimagnetic, compensated half-metal'. Grazie alla particolare simmetria del suo reticolo cristallino, si riscontra che lo scorrere di una corrente attraverso tale materiale da luogo alla generazione di una ulteriore polarizzazione, auto-indotta dalla corrente stessa. Dal momento che tale extra-polarizzazione non è parallela alla magnetizzazione del materiale essa esercita un momento torcente sui dipoli magnetici del reticolo. Per investigare tali effetti di SOT è stata studiata la variazione della magnetizzazione in funzione della densità di corrente iniettata nel film. La magnetizzazione è stata rilevata sfruttando l'Anomalous Hall Effect (AHE). Tale effetto consiste nella spontanea generazione di una differenza di potenziale perpendicolare alla direzione della corrente e proporzionale alla magnetizzazione 'out of plane'. Inizialmente la corrente è stata mantenuta al di sotto di un certo livello, in modo da ottenere una relazione lineare tra la densità di corrente e la polarizzazione auto-indotta. In questo regime sono stati ricavati i due parametri fondamentali che definiscono tale relazione. Durante la seconda parte del lavoro la densità di corrente invece è stata aumentata fino a rendere possibile l'osservazione di forti non-linearità nell'effetto di SOT, visibili chiaramente dalla variazione della magnetizzazione indotta da densità di corrente elevate. Lo studio degli effetti di SOT in ferrimagneti e antiferromagneti è di particolare importanza in quanto tali effetti rappresentano il modo più effcace di eccitare una dinamica della magnetizzazione in questi materiali. Tale interesse è dovuto al fatto che essi possiedono una frequenza di risonanza nel range dei terahertz. Dispositivi operanti a tale frequenza rivoluzionerebbero il mondo dell'elettronica tradizionale permettendoci di creare processori sempre più veloci e performanti.