Spin-orbit torques in perpendicularly magnetized Tb/Co ferrimagnetic multilayers

Ferrimagnetic rare-earth - transition metal (RE-TM) multilayers are great candidates for future spintronics applications due to their high frequency dynamics and low net magnetic moment. The latter is determined by the partial compensation between the RE and the TM magnetic moments, which couple antiferromagnetically. The low magnetic moment enhances the bulk anisotropy in perpendicularly magnetized TM-RE systems, ensuring thermal stability that is desirable for nanometric spintronics devices. Moreover, the reduced magnetization allows efficient spin-orbit torque (SOT) magnetization switching, even in presence of strong bulk PMA, since the SOT-effective fields diverge as 1/M_s . These torques arise from the spin Hall and Rashba-type interfacial effects in systems lacking inversion symmetry. The charge current flowing in a material with strong spin-orbit interaction gives rise to a traverse spin current, which creates spin accumulation at the edges of the sample. Therefore, if the ferrimagnetic multilayer is put in contact with the heavy metal (HM) with strong spin-orbit interaction, the spin accumu- lation at the HM/ferrimagnetic interface interacts with the ferrimagnetic magnetization by exchange coupling, giving rise to an effective torque. This thesis deals with ferrimagnetic multilayers with PMA consisting on Tb and Co, deposited on Pt. The magnetic multilayers differ for stacking order and the thickness of a Tb layer (Pt4 /Tbt /[Co0.5 /Tb0.65 /Tb0.5 ] and Pt4 /[Co0.5 /Tb0.65 /Tb0.5 ]/Tbt with t= 1, 1.5, 2 nm and all the thicknesses in nm). These heterostructures allow for efficient manipulation of ferrimagnetic magnetization through spin-orbit torques induced by the heavy metal Pt. The latter, in fact, has a strong spin-orbit interaction and therefore allows for the generation of spin currents from in-plane charge currents (spin Hall and Rashba effect). When the current density is increased over a threshold value, the spin- orbit torques achieve sufficient amplitude to induce reversal of the magnetization, in presence of an in-plane magnetic field parallel to the electrical current. On the other hand, the Pt interface breaks the system symmetry by inducing a Dzyaloshinskii-Moriya interaction (DMI), that leads to homochiral Néel domain walls (DWs) in this material. This DW structure allows the domain wall motion (DWM) to be driven by the large SOTs generated from Pt. The main goal of this thesis is to reveal the influence of the stacking order and the thickness of each layer on these effects and on the relevant magnetic properties. At first glance, we perform Hall measurement to examine the anomalous Hall effect (AHE). We find that it is much stronger in Pt/Co interface samples than in those with Pt/Tb interface. This suggests that this transport phenomenon is mainly dominated by the Pt/Co interfacial effects. Furthermore, we show that the AHE has opposite sign at room temperature for samples with different stacking order. In particular, the negative (positive) AHE in Pt/Tb (Pt/Co) interface samples implies that the compen- sation temperature is above (below) room temperature. By performing electrical Hall measurements at different temperatures, we demonstrate that the compensation point increases more than 100 K when Tb, rather than Co, is put in contact with the Pt layer. The Pt interface can be thus exploited to tune the compensation point and therefore the net magnetic moment at room temperature. Then, the SOTs are quantified in all the samples by harmonic Hall measurements and studying the DW motion by using a wide-field MOKE microscope. The efficiency of the SOTs turns out to be larger in Pt/Co interface samples than in those with Pt/Tb interface. Moreover, by varying tTb from 1 nm to 2 nm, a significant enhancement (reduction) of the spin-orbit torques efficiency can be achieved in the Pt/Co (Pt/Tb) interface samples. This suggests that Tb plays an active role in generating SOTs in these heterostructures. We further demonstrate highly efficient switching in these ferrimagnetic multilayers. By injecting a tiny current (J = 5 × 10^6 A/cm2) the magnetization can be reversed although the strong PMA (2−4 T). We prove that the switching efficiency depends on the interplay of the anisotropy and the odd component of the SOT-effective field (antidamping-like) and that the reversal mechanism occurs by domain nucleation and its consequent propagation. Finally, the current-induced and field-driven DWM in Pt/Co interface samples is considered. We confirm that the DMI arising at the Pt/Co interface stabilizes left-handed N ́eel DWs. We show that the SOTs can be alternatively quantified by studying the DW depinning due the combined effect of the injected electric current and the applied out-of-plane field. Lastly, by studying the current-induced DW motion in presence of an in-plane field, we find that the DW velocity is strongly related to the interplay of the SOTs and the DMI. The current-induced DWM allows indeed the quantification of the DMI, which is generally difficult to detect due to its weak effect.

La dinamica ad alta frequenza e il piccolo momento magnetico residuo rendono le strutture ferrimagnetiche, costituite da strati alternati di terra rara e metallo di transizione, buone candidate per le applicazioni future nel campo della spintronica. Il basso valore della magnetizzazione deriva dalla parziale compensazione dei momenti magnetici, i quali si orientano antiparalleli nei diversi strati. In primo luogo, la ridotta magnetizzazione aumenta l’anisotropia magnetica perpendicolare interna di tali strutture assicurandone la stabilità termica. In secondo luogo, permette un’efficiente inversione della magnetizzazione stessa, indotta da coppie di spin-orbita, nonostante la forte anisotropia perpendicolare. I campi effettivi associati a tali coppie sono infatti inversamente proporzionali al modulo della magnetizzazione a saturazione. Le coppie di spin-orbita originano dall’effetto Hall di spin e dall’effetto Rashba all’interfaccia in sistemi senza simmetria di inversione. Una corrente di carica che fluisce in un materiale con una forte interazione di spin-orbita dà luogo a una corrente di spin perpendicolare, la quale crea un accumulo di spin ai bordi del campione. Quindi, se il sistema ferrimagnetico è messo a contatto con un metallo pesante con grande interazione di spin-orbita , l’accumulo di spin all’interfaccia interagisce con la magnetizzazione ferrimagnetica per mezzo di un’interazione di scambio, dando luogo ad una coppia torcente. In questa tesi, sono considerati dei sistemi ferrimagnetici a multistrato in Tb/Co con un’anisotropia magnetica perpendicolare, cresciuti su Pt. Queste strutture ferrimagnetiche differiscono nell’ordine di crescita dei vari strati e nello spessore di uno strato di Tb (Pt4/Tbt/[Co0.5/Tb0.65/Tb0.5] e Pt4/[Co0.5/Tb0.65/Tb0.5]/Tbt con t= 1, 1.5, 2 nm, tutti gli spessori espressi in nm). Queste eterostrutture consentono un’efficiente manipolazione della magnetizzazione per mezzo di coppie di spin-orbita indotte dalla corrente che fluisce nel Pt. Quest’ultimo, infatti, è caratterizzato da una forte interazione di spin-orbita e quindi permette la generazione di correnti di spin a partire da quelle di carica nel piano (effetto Hall di spin ed effetto Rashba). Quando la densità della corrente è aumentata oltre un valore soglia, le coppie di spin-orbita sono sufficientemente grandi da indurre l’inversione della magnetizzazione, in presenza di un campo magnetico esterno nel piano parallelo alla corrente elettrica. D’altra parte, l’interfaccia con il Pt rompe la simmetria del sistema inducendo un’interazione Dzyaloshinskii-Moriya (DM), la quale determina la struttura di tipo Néel delle pareti di dominio magnetico nel materiale. Questo tipo di parete di dominio consente il moto della parete stessa, indotto dalle coppie di spin-orbita generate dal Pt. L’obiettivo di tale tesi è quello di determinare l’influenza dell’ordine di crescita dei vari strati e del loro spessore su gli effetti summenzionati e sulle proprietà magnetiche dell’eterostruttura. In primo luogo esaminiamo l’effetto anomalo di Hall per mezzo di misure di Hall. Troviamo che esso è più intenso nei campioni in cui il Co è in diretto contatto con il Pt piuttosto che separato da esso dallo strato di Tb. Ciò suggerisce che l’effetto anomalo di Hall origina principalmente da effetti all’interfaccia Pt/Co. Inoltre, mostriamo che tale effetto ha segno opposto a temperatura ambiente quando l’ordine di crescita è scambiato. In particolare, l’effetto anomalo di Hall negativo (positivo) in campioni con interfaccia Pt/Tb (Pt/Co) implica che la temperatura di compensazione delle magnetizzazioni è al di sopra (sotto) della temperatura ambiente. Ripetendo le misure di Hall a temperature diverse, dimostriamo che il punto di compensazione cresce oltre 100K quando il Tb, piuttosto che il Co, è a contatto con lo strato di Pt. Dunque, l’interfaccia con il Pt può essere sfruttata per regolare la temperatura di compensazione e quindi il valore del momento magnetico residuo a temperatura ambiente. Quindi il valore delle coppie di spin-orbita è stimato in tutti i campioni attraverso misure armoniche di Hall e studiando il moto della parete di dominio con un microscopio MOKE a campo largo. L’efficienza delle coppie di spin-orbita risulta maggiore nei campioni con interfaccia Pt/Co rispetto a quelli con interfaccia Pt/Tb. Inoltre, variando tTb da 1 nm a 2nm, si incrementa (diminuisce) significativamente l’efficienza delle coppie di spin-orbita in campioni con interfaccia Pt/Co (Pt/Tb). Questa evidenza suggerisce che il Tb contribuisce attivamente alla generazione di coppie di spin-orbita in tali eterostrutture. Dimostriamo poi che l’inversione della magnetizzazione in questi multistrati ferrimagnetici è altamente efficiente. Iniettando infatti una debole corrente (J = 5 × 10^6 A/cm2) si può commutare la magnetizzazione nonostante l’anisotropia magnetica, la quale `e particolarmente forte in tali sistemi (2−4 T). Mostriamo che la corrente per invertire la magnetizzazione dipende dalla competizione del campo di anisotropia e della componente dispari del campo effettivo di spin-orbita, e che la commutazione della magnetizzazione avviene con la nucleazione di un dominio e con la sua conseguente espansione. Infine, consideriamo il moto della parete di dominio magnetico indotto da una corrente e dal campo magnetico applicato perpendicolare al piano nei campioni con interfaccia Pt/Co. Confermiamo che l’interazione DM, derivante da tale interfaccia, stabilizza parete di dominio di tipo Néel con chiralità mancina. Secondariamente, le coppie di spin-orbita sono stimate studiando il moto da stato di quiete del dominio per mezzo di un effetto combinato della corrente iniettata e del campo applicato. Infine, studiando il moto della parete di dominio indotto dalla corrente elettrica in presenza di un campo magnetico applicato nel piano, troviamo che la velocità della parete dipende significativamente dalle coppie di spin-orbita e dall’interazione DM. Il moto della parete indotto da corrente permette quindi di quantificare l’interazione DM, in generale difficile da misurare consideratone il debole effetto.