Stabilization of spin textures in nanostructured magnetic systems and three-dimensional investigation of their dynamics.

The stabilization and manipulation of magnetic spin textures and the understanding of their three-dimensional dynamics in thin films are very promising for potential applications in data storage and information processing. In this framework, the experimental investigation of both skyrmions (i.e. swirling topologically-protected magnetic spin textures) and spin waves (i.e. propagating wave-like perturbations in the orientation of the magnetisation in ferromagnetic materials) paves the way to future developments in spintronics and magnonics. Here, we present two strategies for controlling the magnetic properties of exchange biased out-of-plane magnetised materials exhibiting strong Dzyaloshinskii-Moriya interaction. We demonstrate the possibility of tuning the exchange bias interaction of the system at the nanoscale, via fabrication techniques consisting of magnetic laser patterning and thermally assisted magnetic scanning probe lithography (tam-SPL). These allow for the creation of complex and chiral spin textures, such as magnetic domains, worm domains, single stripes and skyrmions, by a combination of writing and erasing procedures on each magnetic pattern which is advantageous with respect to conventional lithography. With these techniques it is indeed possible to realize arbitrary shaped magnetic patterns in magnetic multilayers, allowing the realization of stable and reconfigurable channels for skyrmions stabilization and propagation. Furthermore, we study such spin textures in IrMn/Ta/CoFeB/MgO and Pt/Co/Py/IrMn/Pt structures. Indeed, we directly observed their presence via a magnetic characterization conducted by Magneto-Optical Kerr Effect (MOKE) microscope and Magnetic Force Microscopy (MFM), which allowed us to verify their field-stability and to investigate their minimum achievable feature size. On the other hand, we enquire into the use of nanostructured spin textures in synthetic antiferromagnetic systems for controlling and studying the emission and propagation of spin waves in three dimensions. This milestone would constitute a breakthrough in the state-of-the-art research, as their visualization is presently limited to the two-dimensional case, thus, constituting an important step toward the development of novel three-dimensional spin-wave devices. To this end, we applied the innovative Soft X-ray Laminography (SoXL) technique, a recently-developed synchrotron-based X-ray microscopy technique for performing time-resolved imaging of spin-wave modes, which directly probes the dynamics of all the magnetisation components in three dimensions. We employ this setup to observe the dynamical modes of a rectangular structure, stabilized in Landau domains by shape anisotropy, at fixed frequency, allowing for the reconstruction and first-time visualization of propagating three-dimensional spin-wave modes with nanoscale resolution. In conclusion, this work constituted a step forward in the physical comprehension of the dynamic properties of three-dimensional systems, pointing to future developments in the field. Among the possible fields of applications, the development of novel three-dimensional devices for future data storage, logic signal processing and microwave applications.

La stabilizzazione e la manipolazione di spin texture magnetiche e la comprensione delle loro dinamiche tridimensionali nei film sottili sono molto promettenti per potenziali applicazioni nella memorizzazione dei dati e nell'elaborazione delle informazioni. In questo quadro, l'indagine sperimentale sia degli skyrmioni (cioè spin texture magnetiche vorticose topologicamente protette) che delle onde di spin (cioè perturbazioni ondulatorie che si propagano nell'orientamento della magnetizzazione in materiali ferromagnetici) aprono la strada a futuri sviluppi nella spintronica e nella magnonica. Qui, presentiamo due strategie per il controllo delle proprietà magnetiche dei materiali magnetizzati fuori dal piano con bias di scambio e che esibiscono una forte interazione di Dzyaloshinski-Moriya. Dimostriamo la possibilità di sintonizzare l'interazione di bias di scambio del sistema su scala nanometrica, tramite delle tecniche di fabbricazione che consistono nel laser patterning magnetico e nella litografia magnetica a scansione di sonda termicamente assistita (tam-SPL). Queste permettono la creazione di spin texture complesse e chirali, come domini magnetici, domini a vermicello, strisce singole e skyrmioni, attraverso una combinazione di procedure di scrittura e cancellazione su ogni pattern magnetico che è vantaggiosa rispetto alla litografia convenzionale. Con queste tecniche è infatti possibile realizzare modelli magnetici di forma arbitraria in multistrati magnetici, permettendo la realizzazione di canali stabili e riconfigurabili per la stabilizzazione e la propagazione degli skyrmioni. Inoltre, studiamo tali spin texture nelle strutture IrMn/Ta/CoFeB/MgO e Pt/Co/Py/IrMn/Pt. Infatti, abbiamo osservato direttamente la loro presenza attraverso una caratterizzazione magnetica condotta con il microscopio Magneto Ottico ad Effetto Kerr (MOKE) e col il Microscopio a Forza Magnetica (MFM), che ci ha permesso di verificare la loro stabilità di campo e di indagare la loro dimensione minima raggiungibile. D'altra parte, indaghiamo sull'uso di spin texture nanostrutturate in sistemi antiferromagnetici sintetici per controllare e studiare l'emissione e la propagazione delle onde di spin in tre dimensioni. Questa pietra miliare costituirebbe una svolta nello stato dell'arte della ricerca, poiché la loro visualizzazione è attualmente limitata al caso bidimensionale, costituendo così un passo importante verso lo sviluppo di nuovi dispositivi tridimensionali a onde di spin. A tal fine, abbiamo applicato l'innovativa tecnica Laminografica a raggi X Soffici (SoXL), una tecnica recentemente sviluppata basata sulla microscopia a raggi X di sincrotrone per l'esecuzione di immagini risolte nel tempo dei modi delle onde di spin, che sonda direttamente la dinamica di tutte le componenti di magnetizzazione in tre dimensioni. Impieghiamo questa configurazione per osservare i modi dinamici di una struttura rettangolare, stabilizzata nei domini di Landau dall'anisotropia di forma, a frequenza fissa, permettendo la ricostruzione e la visualizzazione per la prima volta dei modi tridimensionali delle onde di spin che si propagano con risoluzione su scala nanometrica. In conclusione, questo lavoro ha costituito un passo avanti nella comprensione fisica delle proprietà dinamiche dei sistemi tridimensionali, indicando i futuri sviluppi nel campo. Tra i possibili campi di applicazione, lo sviluppo di nuovi dispositivi tridimensionali per la futura memorizzazione dei dati, l'elaborazione dei segnali logici e le applicazioni a microonde.