Magnetic and thermomagnetic characterization of Co2MnGa thin films

The study of materials with non-trivial topological phase boomed in the recent years, with many effects that are peculiar to these phases, and record-breaking magnitudes, which are intimately connected to the complex physics underlying. Examples can be found concerning the Anomalous Hall Effect, the Spin Hall Effect, or the emergence of superconductivity as well. However, one aspect has remained unexplored up to date, which is the charge-to-heat conversion, which could lead to remarkable applications for quantum computers or photon detectors, both having to operate at cryogenic temperatures. Magnetic Weyl semimetals are one of the newest topological phases, discovered only in 2015 in TaAs, with the key signature being the chirality-resolved cones, composed of the valence and conduction bands dispersing linearly and touching at the Weyl point. At this peculiar point, the gap between the bands closes, and the Berry phase becomes singular. For this reason, it has been predicted theoretically that the charge-to-heat and heat-to-charge conversion effects should be significantly large. In Co2MnGa, a full-Heusler compound, this has been repeatedly proven for the Nernst Effect, which entails a heat-to-charge conversion, but not at all for its counterpart, the Ettingshausen Effect, describing an electric current converted into a temperature gradient. In this thesis work, I study indeed the presence of the Ettingshausen Effect in Co2MnGa, trying to relate it with its magnetic structure, in the same way it has been done many times for the Nernst Effect. The samples I received came from Simon Granville’s group in Welington, New Zealand, and were composed of 50 nm thin films of Co2MnGa grown on a substrate of MgO. In particular, one set of films was uncapped, and another was coated with a Ta capping layer: they have been successively patterned into a Hall bar by collaborators at imec and characterized by Rikkie Joris and Lino da Costa Pereira at KU Leuven. I firstly performed Magnetic Force Microscopy (MFM) on the samples, to gain insight on the domain structures. They have been magnetized along their hard axis at negative out of plane field, and then progressively subject to an increasing positive magnetic field. A peculiar square domain structure has been observed for the uncapped Hall bar, whereas the maps obtained on the capped film and Hall bar were featureless. Successively, Scanning Thermal Microscopy (SThM) was employed to study the Ettingshausen Effect, by injecting an AC electric current into the devices, applying an external magnetic field, and scanning the tip to observe the induced temperature difference. The signal was demodulated at the frequency of the current to separate the effect of interest from the Joule effect. Line features in the thermal maps have been observed: their interpretation is not straightforward, even if calculations performed reveal that the effect should be large enough to be detected by the setup. The experimental work has been complemented with COMSOL simulation to help in the interpretation of the data, and estimate the magnitude of the effects of interest. The results presented in the work are promising, even if other experimental proofs are required to confirm to have observed the effect in Co2MnGa.

Lo studio di materiali con fasi topologiche non banali è esploso negli anni recenti, scoprendo una pletora di effetti che sono specifici di queste fasi, e relative intensità record, connessi alla fisica complessa che caratterizza questi campioni. Esempi possono essere l’Effetto Hall Anomalo, l’Effetto Spin Hall, o anche l’apparizione della superconduttività. Tuttavia, ad oggi, un aspetto è rimasto largamente inesplorato, ed è la conversione carica-calore, che potrebbe portare ad importanti applicazioni per computer quantistici, o rilevatori di fotoni, dato che entrambi devono operare a temperature criogeniche. I semimetalli magnetici di Weyl sono una delle fasi topologiche più recenti, scoperti solo nel 2015 nel TaAs: il segno distintivo di questa fase sono i due coni con differenti chiralità, composti dalla banda di valenza e conduzione che disperdono linearmente in energia, e si toccano nel punto di Weyl. In questo punto particolare, la distanza tra le due bande si annulla, e la fase di Berry diventa singolare. Per questa ragione, è stato predetto dalla teoria che gli effetti di conversione carica-calore e viceversa, debbano essere particolarmente intensi. Nel Co2MnGa, che è un composto di Heusler perfetto, questo è stato ripetutamente provato per quanto riguarda l’effetto Nernst, che comporta una conversione da un gradiente di temperature, ad una differenza di potenziale, ma non ancora per la sua controparte, l’Effetto Ettingshausen, che descrive una corrente elettrica convertita in un gradiente di temperatura. Questo lavoro di tesi si basa sullo studio della presenza dell’Effetto Ettingshausen nel Co2MnGa, provando a correlarlo con la sua struttura magnetica, nello stesso modo in cui è stato fatto per l’Effetto Nernst. I campioni ricevuti sono arrivati dal gruppo di Simon Granville, stabilitosi a Welington, Nuova Zelanda, ed erano composti da un film sottile di spessore 50 nm di Co2MnGa, cresciuti su un substrato di MgO. In particolare, una parte dei film era scoperta, mentre l’altra era stata ricoperta con uno strato di Ta: da questi sono state fabbricate delle Hall bar, da collaboratori ad imec, e poi caratterizzati da Rikkie Joris e Lino da Costa Pereira alla KU Leuven. In questo lavoro, ho prima eseguito Microscopia a Forza Magnetica (MFM) sui campioni, in modo da ottenere informazioni sulla struttura a domini magnetici. Questi sono stati prima magnetizzati lungo l’asse difficile in un campo magnetico negativo fuori dal piano, e poi soggetti ad un campo magnetico positivo crescente. Una particolare struttura a domini quadrati è stato osservato nella Hall bar scoperta, senza lo strato di Ta, mentre le mappe ottenuta sui campioni coperti erano uniformi. Successivamente, la Microscopia a Scansione Termica (SThM) è stata usata per studiare l’Effetto Ettingshausen, iniettando una corrente elettrica AC nei campioni, applicando un campo magnetico esterno, e scansionando la punta del microscopio per osservare la differenza di temperatura prevista. Il segnale è stato demodulato alla frequenza della corrente per separare l’effetto da osservare dall’effetto Joule. Delle linee sono state osservate nelle mappe termiche: la loro interpretazione non è banale, anche se calcoli e simulazioni svolte hanno rivelato che l’effetto dovrebbe essere abbastanza intenso da essere rilevato con la tecnica utilizzata. Il lavoro sperimentale è stato accompagnato da simulazioni svolte con COMSOL, per aiutare nell’interpretazione dei dati, e stimare l’intensità dell’effetto studiato. I risultati presentati nella tesi sono promettenti, anche se altre prove sperimentali sono richieste per confermare l’osservazione dell’effetto.