Controlling spin-orbit torque in perpendicular exchange-biased systems for domain wall computing

The possibility of employing magnetic elements for logic computation has recently emerged as an alternative to the traditional technology, based on electron transport in CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) devices. Different approaches have been proposed, from the manipulation of skyrmionic quasi-particles to the interference between spin waves. Among these, one of the most promising is the manipulation of domain walls (DWs) in ferromagnetic layers. Important results have been obtained with the lithographic patterning of circuits in thin films, and some examples of devices performing simple logic functions have already been demonstrated. Here we propose an alternative for the realization of such structures, based not on the physical lithography of the ferromagnetic layer, but on a purely magnetic patterning. Through the employment of thermally assisted magnetic-Scanning Probe Lithography (tam-SPL), it is in fact possible to realize arbitrary shaped magnetic patterns in Ferromagnet-Antiferromagnet (FM-AFM) heterostructures, by locally manipulating the exchange bias with nanometric resolution. This technique would so allow to realize stable and reversible nucleation sites and channels for DW propagation. The patterning via tam-SPL offers significant advantages: it allows a vectorial control of the magnetic anisotropies of the film, and thus of its magnetization, enabling the creation of magnetic configurations not achievable with conventional lithography, and the control the domain wall chirality. Furthermore, the absence of physical patterning allows to avoid pinning sites during DW propagation. New reconfigurable domain wall circuits can be therefore envisaged, in which the control of the magnetic anisotropies can add new functionalities to the standard DW computation. Moreover, thanks to the presence of an Heavy Metal (HM) in the employed antiferromagnet, this system can exploit a Spin-Orbit Torque (SOT) mechanism to drive the domain wall motion with the simple injection of current, in a complete field free environment. In the first part of this thesis work, the possibility of realizing such circuits is investigated in a (thicknesses in nm) IrMn(6.5)+Ru(2)/CoFeB(1)/MgO(2) structure, through a magnetic and electrical characterization of the system and of the magnetic patterns realized by means of tam-SPL. By optimizing a custom-made Magneto-Optical Kerr Effect (MOKE) microscope, it has been possible to directly observe the presence of said patterns, to study their behaviour in presence of external magnetic fields, and to verify the existence of a SOT effect. Exploiting Anomalous Hall Effect (AHE) measurements, we studied the consequences of current-induced Joule heating on the exchange bias, and its dependence on the time scale of the applied current pulses. The results obtained showed how, in this first non-optimized structure, the current densities necessary to produce SOT induced a temperature increase sufficient to damage the EB patterns. Therefore, in the second part, we investigated heterostructures with different EB blocking temperatures, repeating the characterization to find a system more robust to thermal perturbations, but still adequate for tam-SPL patterning. A promising candidate was at last identified in a IrMn(6.5)+Ru(1.6)/CoFeB(1)/MgO(2) stack; a SOT-induced magnetization switching was detected, with the application of current pulses short enough to not perturb the exchange-biased patterns. The results of this investigation constitute a proof of concept of the possibility of realizing purely magnetic, current driven logic structures for domain wall computation.

Negli ultimi anni, la possibilità di impiegare elementi magnetici per operazioni di computazione logica si è affermata come alternativa alla tecnologia tradizionale, basata sul trasporto di elettroni in dispositivi CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor). Sono stati adottati diversi approcci, dalla manipolazione di quasi-particelle chiamate skyrmioni all'interferenza di onde di spin. Tra questi, uno delle più promettenti è la manipolazione di pareti di dominio (DW) in film ferromagnetici. Attraverso la litografia convenzionale di circuiti in alcuni sistemi magnetici, alcuni risultati importanti sono stati ottenuti, e alcuni esempi di dispositivi capaci di eseguire semplici funzioni logiche sono già stati dimostrati. In questo lavoro, proponiamo un'alternativa per la realizzazione di queste strutture, basata non sulla litografia fisica di un film ferromagnetico, ma sulla creazione di un patterning puramente magnetico. Infatti, mediante l'impiego di una tecnica nota come litografia magnetica a scansione di sonda assistita termicamente (tam-SPL), è possibile realizzare dei pattern magnetici di forma arbitraria, attraverso la manipolazione su scala nanometrica del fenomeno di exchange bias in eterostrutture ferromagnete-antiferromagnete (FM-AFM). Questa tecnica permetterebbe così la realizzazione di siti di nucleazione e di canali per la propagazione di DW, in modo stabile e reversibile. L'utilizzo della tecnica tam-SPL offre molti vantaggi: garantisce infatti un controllo vettoriale dell'anisotropia magnetica del film, e così della sua magnetizzazione, permettendo la realizzazione di configurazioni magnetiche non ottenibili con metodi tradizionali, e il controllo della chiralità delle DW. L'assenza di un patterning fisico evita inoltre la creazione di pinning sites durante la propagazione delle DW. Grazie alle caratteristiche sopra citate, questa tecnica permette di realizzare nuovi dispositivi per pareti di dominio, riconfigurabili e che implementano funzionalità nuove rispetto ai circuiti convenzionali per DW. Inoltre, grazie alla presenza di un metallo pesante (HM) all'interno dell'antiferromagnete, questo sistema permette di impiegare un meccanismo di momento torcente indotto da interazione spin orbita (SOT), consentendo di indurre il movimento delle pareti di dominio attraverso la semplice applicazione di corrente elettrica, evitando il ricorso a campi magnetici esterni. Nella prima parte di questo lavoro di tesi, si è verificata la possibilità di realizzare questi circuiti in una struttura di (spessori in nanometri) IrMn(6.5)+Ru(2)/CoFeB(1)/MgO(2), attraverso una caratterizzazione magnetica ed elettrica di questo sistema e dei pattern magnetici fabbricati tramite tam-SPL. L'ottimizzazione di un microscopio MOKE (effetto Kerr Magneto-Ottico) realizzato in laboratorio ha permesso di osservare direttamente la presenza di questi pattern, di studiare il loro comportamento in presenza di campi magnetici esterni, e di verificare l'esistenza di un effetto di SOT. Attraverso misure basate sull'effetto Hall anomalo (AHE), abbiamo inoltre potuto studiare l'effetto del riscaldamento prodotto per effetto Joule sull'exchange bias, e la sua dipendenza dalla durata temporale degli impulsi di corrente applicati. I risultati ottenuti hanno evidenziato come, in questa prima eterostruttura non ottimizzata, le densità di corrente necessarie per produrre SOT inducano un innalzamento di temperatura sufficiente per danneggiare i pattern scritti attraverso tam-SPL. Pertanto, nella seconda parte di questo lavoro, abbiamo condotto un'investigazione su eterostrutture con differenti temperature di blocking, ripetendo la caratterizzazione per trovare un sistema che fosse più robusto nei confronti delle perturbazioni termiche, ma comunque adeguato per essere patternato tramite tam-SPL. Infine, abbiamo individuato un candidato promettente in una struttura di IrMn(6.5)+Ru(1.6)/CoFeB(1)/MgO(2): in questo campione è stato indotto tramite SOT uno switching della magnetizzazione, utilizzando impulsi di corrente abbastanza brevi da non perturbare i pattern. Il risultato finale di questa investigazione costituisce una verifica della possibilità di realizzare con sistemi puramente magnetici dei circuiti logici, capaci di permettere operazioni di computazione attraverso la propagazione elettrica di pareti di dominio magnetiche.