Towards three-dimensional nanoscale imaging of spin-wave modes via X-ray laminography

Recently, it has been proposed to employ spin waves-based devices as alternatives to the standard CMOS technology. Spin waves offer several advantages, such as the absence of Joule losses and the sub-μm wavelength in the GHz-THz range. While there are several well-established techniques that allow to study in two dimensions the magnetization dynamics, until now insights on the three-dimensional behavior of spin waves in thin films have only been possible through comparisons with simulations. In this context their direct three-dimensional visualization with nanoscale resolution would represent a huge step towards studying the physics of complex spin-wave modes and developing next generation computing architectures. Here, we propose the innovative Soft X-ray Laminography technique for performing time-resolved imaging of spin-wave modes, aiming to directly probe all the magnetization components in 3D. To this purpose, we focused on synthetic antiferromagnetic structures, known for being efficient platforms for the emission and propagation of spin waves. First, micromagnetic simulations at several excitation frequencies and thicknesses were performed to identify the best conditions for visualizing the propagation of spin waves and their localization along the film thickness. Then, the samples were fabricated and magnetically characterized, after the optimization of the growth and nanofabrication parameters. In order to fabricate spin-wave emitters, either the samples were patterned via thermally assisted magnetic–Scanning Probe Lithography, or Landau domains were stabilized in nanopatterned geometric features. Spin waves have first been measured via standard 2D Scanning Transmission X-ray Microscopy, while later it was possible to visualize them at multiple angles with good magnetic contrast using time-resolved Laminography. Additionally, as a result of these measurements, it has also been possible to obtain a 3D topographic reconstruction of the investigated sample. This work represents a promising step towards obtaining for the first time a time-resolved three-dimensional reconstruction with nanoscale resolution of the spin-waves emission and propagation.

Recentemente è stato proposto di utilizzare le onde di spin come alternativa alla tecnologia standard basata sui CMOS. Le onde di spin offrono numerosi vantaggi rispetto a quest’ultima, grazie all’assenza di dissipazione per effetto Joule e alle lunghezze d’onda nanometrica per frequenze fino ai THz. Sebbene ci siano diverse tecniche che permettono di studiare in due dimensioni la dinamica della magnetizzazione, fino ad ora le informazioni sul comportamento tridimensionale sono state ottenute solamente grazie alle simulazioni. A questo proposito, essere in grado di visualizzare tridimensionalmente le onde di spin rappresenterebbe un importante passo avanti per lo sviluppo dei computer di prossima generazione. In questo lavoro, proponiamo l’innovativa Laminografia a raggi X come metodo per la visualizzazione dinamica dei modi delle onde di spin, con l’obiettivo di investigare direttamente tutte le componenti della magnetizzazione in 3D. Per questo motivo, ci siamo focalizzati sullo sviluppo di strutture antiferromagnetiche sintetiche, conosciute per essere delle efficienti piattaforme per l’emissione e la propagazione di onde di spin. Per prima cosa sono state condotte delle simulazioni micromagnetiche a diverse frequenze e spessori, in modo da trovare le condizioni migliori per visualizzare la propagazione delle onde di spin e la loro localizzazione lungo lo spessore del film. I campioni sono stati poi cresciuti e caratterizzati magneticamente, dopo aver ottimizzato i parametri di crescita e nanofabbricazione. Per creare gli emettitori di onde di spin, i campioni sono stati litografati magneticamente attraverso la tecnica thermally assisted magnetic–Scanning Probe Lithography, oppure i domini di Landau sono stati stabilizzati in nanostrutture litografate. Le onde di spin sono prima state misurate con la tecnica standard 2D Scanning Transmission X-ray Microscopy, mentre successivamente è stato possibile visualizzarle a diversi angoli usando la Laminografia. In aggiunta, è stato possibile ottenere una ricostruzione topografica 3D del campione. Questo lavoro rappresenta uno step promettente verso l’ottenimento della ricostruzione 3D dinamica dell’emissione e propagazione delle onde di spin con risoluzione nanometrica.