Tailored nanoscale spin textures for spintronics and three-dimensional magnonics

Magnetic materials, such as ferromagnets or antiferromagnets, play a pivotal role in the field of spintronics, which aims to harness the spin of electrons for the encoding and processing of information. In this context, spin textures such as magnetic domains, domain walls, and skyrmions have been extensively studied in the last decade due to their stability, nanoscale size, and reconfigurability. In addition, spin waves, which are propagating perturbations in the orientation of the magnetization in magnetically ordered materials, have also been thoroughly investigated due to their peculiar properties, including a nanometric wavelength and the absence of Joule losses. It is therefore of great importance to be able to control the static and dynamic magnetic properties of materials at the nanoscale, in order to be able to manipulate the configuration of magnetic moments for both conventional and unconventional computing and signal processing applications. The goal of this PhD thesis work was to tailor the physical properties of spin textures at the nanoscale for spintronics and magnonics applications. In this context, the innovative phase nanoengineering methodology was applied to out-of-plane magnetized ultrathin exchange-biased magnetic multilayers, with the objective of stabilizing two-dimensional, one-dimensional, and zero-dimensional magnetic spin textures. This was achieved by controlling the intensity of the exchange bias shift through a local field cooling procedure. In contrast with conventional lithographic processes, which allow a binary patterning of material properties, the phase nanoengineering methodology consists of applying highly localized and controlled energy sources to directly induce finely tuned and stable modifications to the physical properties of the materials, by changing their energetic landscape with "grayscale" profiles. This is possible by using either the thermal scanning probe lithography (tSPL) or direct laser writing (DLW) technique. In this study, we demonstrated the feasibility of stabilizing two-dimensional (2D) magnetic domains, one-dimensional (1D) magnetic domain walls and stripes, and zero-dimensional (0D) skyrmion-like magnetic dots, organized in different two-dimensional (2D) lattices, through direct laser writing. By patterning at different laser powers, we showed that it is possible to precisely control the intensity of the exchange bias, effectively allowing a "grayscale" manipulation of the magnetic landscape of the samples. This approach enabled the creation of field-varying 0D spin texture lattices. By applying an external magnetic field, it was possible to alter the lattice type from the one stabilized at remanence. These findings demonstrate that the phase nanoengineering methodology is an effective tool for controlling the magnetic properties of thin films and that it can be utilized for the future development of next-generation spintronics memory devices. In addition, the primary focus of this doctoral research was to investigate the three-dimensional nature of spin waves, studying their dynamics, localization, and interference in a synthetic antiferromagnetic multilayer. Indeed, in the field of magnonics, the exploitation of the third dimension has become one of the most desired capabilities for the introduction of new functionalities. Nevertheless, the experimental visualization of propagating spin waves in three dimensions has remained elusive due to the challenging requirement of combining nanoscale spatial resolution in three dimensions with time resolution in the GHz frequency range. First, synthetic antiferromagnetic (SAF) thick structures were grown, characterized, and optimized by studying the dependence of their magnetic properties, such as exchange bias field and interlayer exchange coupling interaction, as a function of the ferromagnetic materials and their relative thicknesses. This enabled the identification of the optimal structures for the efficient emission and propagation of spin waves in SAF systems. Subsequently, magnetic domain walls were magnetically nanopatterned via tSPL in the SAF structures, as they have been demonstrated to allow an efficient generation and control of spin-wave wavefronts. Preliminary synchrotron experiments, comprising both two-dimensional static and time-resolved scanning transmission X-ray microscopy (STXM), have demonstrated the efficient emission and propagation of spin waves in thick SAF multilayers. Furthermore, they have allowed the identification of the corresponding spin-wave dispersion relation. Subsequently, an uncompensated SAF structure based on CoFeB/Ru/NiFe was investigated via soft X-ray laminography. This enabled the reconstruction of the full three-dimensional precession of the magnetization associated with spin-wave propagation and the mapping of the distribution of spin-wave modes throughout the volume of the structure. Complex depth-dependent spin-wave profiles were observed, resulting in three-dimensional interference patterns that can be controlled by the composition and structure of the magnetic system. These findings offer a unique opportunity to investigate complex spin-wave modes and to develop innovative functions in three-dimensional magnonic devices. 

I materiali magnetici, come i ferromagneti o gli antiferromagneti, svolgono un ruolo fondamentale nel campo della spintronica, che mira a sfruttare lo spin degli elettroni per la codifica e l'elaborazione delle informazioni. In questo contesto, le strutture di spin come i domini magnetici, le pareti di dominio e gli skyrmioni sono state ampiamente studiate nell'ultimo decennio grazie alla loro stabilità, alle dimensioni su scala nanometrica e alla loro riconfigurabilità. Inoltre, anche le onde di spin, che sono perturbazioni nella propagazione dell'orientamento della magnetizzazione in materiali magneticamente ordinati, sono state studiate a fondo grazie alle loro proprietà peculiari, tra cui una lunghezza d'onda nanometrica e l'assenza di perdite Joule. È quindi di grande importanza poter controllare le proprietà magnetiche statiche e dinamiche dei materiali su scala nanometrica, al fine di poter manipolare la configurazione dei momenti magnetici per applicazioni di calcolo ed elaborazione dei segnali sia convenzionali che non convenzionali. L'obiettivo di questo lavoro di tesi è stato quello di controllare le proprietà fisiche delle strutture di spin su scala nanometrica per applicazioni nel campo della spintronica e del magnetismo. In questo contesto, l'innovativa metodologia della nanoingegneria di fase è stata applicata a multistrati magnetici ultrasottili magnetizzati fuori piano, con l'obiettivo di stabilizzare le strutture magnetiche di spin bidimensionali, monodimensionali e zerodimensionali. Questo risultato è stato ottenuto controllando l'intensità del exchange bias attraverso una procedura di field cooling. A differenza dei processi litografici convenzionali, che consentono un patterning binario delle proprietà dei materiali, la metodologia della nanoingegneria di fase consiste nell'applicare fonti di energia altamente localizzate e controllate per indurre direttamente modifiche stabili e finemente sintonizzate alle proprietà fisiche dei materiali, cambiando il loro paesaggio energetico con profili “a scala di grigi”. Ciò è possibile utilizzando la litografia a scansione termica (tSPL) o la tecnica di scrittura laser diretta (DLW). In questo studio abbiamo dimostrato la fattibilità della stabilizzazione di domini magnetici bidimensionali (2D), pareti e strisce di domini magnetici monodimensionali (1D) e punti magnetici zero-dimensionali (0D) simili a skyrmioni, organizzati in diversi reticoli bidimensionali (2D), attraverso la scrittura laser diretta. Con la modellazione a diverse potenze laser, abbiamo dimostrato che è possibile controllare con precisione l'intensità exchange bias, consentendo di fatto una manipolazione “in scala di grigi” della struttura magnetica dei campioni. Questo approccio ha permesso la creazione di reticoli di spin texture 0D. Applicando un campo magnetico esterno, è stato possibile alterare il tipo di reticolo rispetto a quello stabilizzato alla rimanenza. Questi risultati dimostrano che la metodologia della nanoingegneria di fase è uno strumento efficace per controllare le proprietà magnetiche dei film sottili e che può essere utilizzata per lo sviluppo futuro di dispositivi di memoria spintronica di prossima generazione. Inoltre, l'obiettivo principale di questa ricerca di dottorato è stato quello di indagare la natura tridimensionale delle onde di spin, studiandone la dinamica, la localizzazione e l'interferenza in un multistrato antiferromagnetico sintetico. In effetti, nel campo del magnetismo, lo sfruttamento della terza dimensione è diventato una delle capacità più desiderate per l'introduzione di nuove funzionalità. Tuttavia, la visualizzazione sperimentale delle onde di spin che si propagano in tre dimensioni è rimasta elusiva a causa dell'impegnativo requisito di combinare una risoluzione spaziale su scala nanometrica in tre dimensioni con una risoluzione temporale nel range di frequenze del GHz. In primo luogo, sono state sviluppate, caratterizzate e ottimizzate strutture antiferromagnetiche sintetiche (SAF), studiando la dipendenza delle loro proprietà magnetiche, come exchange bias e exchange interaction, in funzione dei materiali ferromagnetici e dei loro spessori relativi. Ciò ha permesso di identificare le strutture ottimali per l'emissione e la propagazione delle onde di spin nei sistemi SAF. Successivamente, le pareti di dominio sono state nanopatternate magneticamente tramite tSPL nelle strutture SAF, poiché è stato dimostrato che consentono un'efficiente generazione e controllo dei fronti d'onda delle onde di spin. Gli esperimenti preliminari di sincrotrone, comprendenti sia la microscopia statica bidimensionale che la microscopia a scansione a trasmissione di raggi X (STXM) risolta nel tempo, hanno dimostrato l'efficiente emissione e propagazione di onde di spin in multistrati SAF spessi. Inoltre, hanno permesso di identificare la corrispondente relazione di dispersione delle onde di spin. Successivamente, una struttura SAF non compensata basata su CoFeB/Ru/NiFe è stata studiata tramite laminografia a raggi X. Ciò ha permesso di ricostruire l'intera precessione tridimensionale della magnetizzazione associata alla propagazione delle onde di spin e di mappare la distribuzione dei modi d'onda di spin in tutto il volume della struttura. Sono stati osservati profili complessi di onde di spin in funzione della profondità, con conseguenti modelli di interferenza tridimensionali che possono essere controllati dalla composizione e dalla struttura del sistema magnetico. Questi risultati offrono un'opportunità unica per studiare i modi complessi delle onde di spin e per sviluppare funzioni innovative nei dispositivi magnetici tridimensionali.