Spin waves in 3d metals : a resonant inelastic X-ray scattering study of epitaxially grown thin films

This Thesis focuses on spin waves in ferromagnetic 3d transition metals. These collective excitations of a ferromagnetic ground state have been studied for years by Inelastic neutron Scattering (INS), able to measure their dispersion quite directly. Here we focus on the pos- sibility to address their study with Inelastic X-Ray Scattering (RIXS), a newer technique that has been rarely employed in the study metallic systems. All the experimental work was carried out at the ID32 beamline of the European Synchrotron Radiatoin Facility (ESRF) in Grenoble, France. Here, a high resolution, state of the art, RIXS spectrometer has been used to measure two ferromagnetic systems: fcc cobalt and fcc nickel in the form of thin film single crystals, epitaxially grown and characterized in situ. The results are positive as they show that RIXS is capable of measuring spin wave dispersions even for metals, which is still debatable at the current time, even for materials that are typically inaccessible by INS, namely nanometric thin films. Fcc cobalt data shows good agreement with neutron studies of comparable alloy systems, but still displays some discrepancies with ab initio calculations. Fcc nickel is instead more problematic: the acquired spectra show degradation effects after long measurement times, that lead to an anomalous shift in the dispersion. The importance of the magnetization direction for RIXS measurements is also considered and taken into account. This work highlights the possibility of using RIXS as a complementary technique for the study of collective excitations, namely spin waves, also in metals. This opens the possibility of reliably measuring other systems that are unaccessible to INS, although some aspects of the technique are still to be mastered.

Questa Tesi si concentra sulle onde di spin nei metalli di transizione 3d ferromagnetici. Queste eccitazioni collettive dello stato fondamentale ferromagnetico sono state studiate per anni con lo Scattering Anelastico di Neutroni (INS), in grado di misurare la loro dispersione in maniera diretta. Qui ci concentriamo sulla possibilità di affrontare il loro studio con lo Scattering Anelastico di Raggi X (RIXS), una tecnica più recente raramente impiegata nello studio sistemi metallici. Tutto il lavoro sperimentale è stato svolto presso la beamline ID32 dell’ Struttura Europea di Radiazione di Sincrotrone (ESRF) a Grenoble, Francia. Qui, uno spettrometro RIXS ad alta risoluzione è stato utilizzato per misurare due sistemi ferromagnetici: cobalto cfc e nichel cfc nella forma di film sottili a cristallo singolo, cresciuti epitassialmente e caratterizzati in situ. I risultati sono positivi e dimostrano che RIXS è in grado di misurare le dispersioni delle onde di spin anche per i metalli, possibilità ad oggi ancora discussa, anche per materiali che sono tipicamente inaccessibili ad INS, come film sottili nanometrici. I dati sul cobalto cfc sono compatibili con studi a neutroni di leghe simili al sistema in esame, ma mostrano ancora alcune discrepanze con i calcoli ab initio. Il nichel cfc è invece più problematico: gli spettri acquisiti mostrano effetti di degradazione causati dai lunghi tempi di misura, che portano ad uno spostamento anomalo della dispersione. Per quest’ultimo caso, si sottolinea l’importanza della direzione di magnetizzazione per le misure RIXS. Questo lavoro evidenzia la possibilità di utilizzare RIXS come tecnica complementare per lo studio delle eccitazioni collettive, in particolare delle onde di spin, anche nei metalli. Questo apre la possibilità di misurare in modo affidabile altri sistemi che non sono accessibili ad INS, nonostante alcuni aspetti della tecnica siano ancora da padroneggiare.