Epitaxial growth of complex oxide thin films and heterostructures for the next generation of spintronics devices

Abstract

Aquest projecte se centra en el desenvolupament i la comprensió de dispositius quàntics d'espín, amb especial atenció al transport d'espín a través d’heteroestructures ferromagnètiques/ antiferromagnètiques (FM/AFM). Els dispositius basats en l'espín ofereixen alternatives prometedores a l'electrònica basada en la càrrega gràcies al seu potencial per a un funcionament de baix consum i alta velocitat. En aquest context, comprendre com es propaga el corrent d'espín a través dels materials AFM és d'importància fonamental i tecnològica.

En aquest treball, investigo la transmissió del corrent d'espín des d’un ferromagnet (FM) cap a un antiferromagnet (AFM) ajustant sistemàticament l’orientació cristal·lina de la capa AFM. Controlant la direcció de creixement i la simetria de xarxa de les pel·lícules primes d’AFM, pretenem modular la transparència d'espín i el transport anisotròpic, que normalment estan governats per la interacció entre la direcció de polarització d'espín i el vector de Néel.

Per generar i detectar corrents d'espín, fem servir l’efecte de "spin pumping" mitjançant ressonància ferromagnètica (FMR) i detectem el senyal transmès a través de l'efecte Hall invers d'espín (ISHE) en una capa metàl·lica no magnètica (NM). Mitjançant la fabricació d’una sèrie d’heteroestructures FM/AFM/NM amb diferents gruixos i orientacions de l’AFM, analitzem la longitud de decaïment i l’eficiència de transmissió del corrent d'espín en funció de la configuració cristal·lina.

Aquesta recerca aporta coneixement sobre els mecanismes microscòpics del transport d'espín en aïllants antiferromagnètics i ajuda a establir un marc per al disseny de dispositius d'espín eficients basats en materials AFM. Els resultats podrien obrir el camí a nous dispositius d'espintrònica amb una millor escalabilitat i robustesa, aprofitant els avantatges intrínsecs dels antiferromagnets com la magnetització neta nul·la, la dinàmica d'espín ultraràpida i la immunitat als camps magnètics externs.

Este proyecto se centra en el desarrollo y la comprensión de dispositivos cuánticos de espín, con especial atención al transporte de espín a través de heteroestructuras ferromagnéticas/antiferromagnéticas (FM/AFM). Los dispositivos basados en el espín ofrecen alternativas prometedoras a la electrónica convencional basada en la carga, debido a su potencial para funcionar a baja potencia y alta velocidad. En este contexto, comprender cómo se propagan las corrientes de espín a través de materiales AFM es de gran importancia tanto fundamental como tecnológica.

En este trabajo, investigo la transmisión de corriente de espín desde un ferromagneto (FM) hacia un antiferromagneto (AFM) mediante el ajuste sistemático de la orientación cristalográfica de la capa AFM. Al controlar la dirección de crecimiento y la simetría de red de películas delgadas AFM, buscamos modular la transparencia al espín y el transporte anisotrópico, los cuales suelen estar gobernados por la interacción entre la dirección de polarización del espín y el vector de Néel.

Para generar y detectar corrientes de espín, empleamos el bombeo de espín mediante resonancia ferromagnética (FMR) y detectamos la señal transmitida a través del efecto Hall inverso de espín (ISHE) en una capa metálica no magnética (NM). Fabricando una serie de heteroestructuras FM/AFM/NM con diferentes grosores y orientaciones del AFM, analizamos la longitud de decaimiento y la eficiencia de transmisión de la corriente de espín en función de la configuración cristalográfica.

Esta investigación proporciona información sobre los mecanismos microscópicos del transporte de espín en aislantes antiferromagnéticos y ayuda a establecer una base para el diseño de dispositivos de espín eficientes utilizando materiales AFM. Los resultados podrían allanar el camino hacia nuevos dispositivos espintrónicos con mejor escalabilidad y robustez, aprovechando las ventajas intrínsecas de los antiferromagnetos, como su magnetización neta nula, dinámica de espín ultrarrápida e inmunidad frente a campos magnéticos externos.

This project focuses on the development and understanding of spin quantum devices, particularly targeting spin transport across ferromagnetic/antiferromagnetic (FM/AFM) heterostructures. Spin-based devices offer promising alternatives to charge-based electronics due to their potential for low-power, high-speed operation. In this context, understanding how spin currents propagate through AFM materials is of both fundamental and technological importance.

In this work, I investigate the spin current transmission from a ferromagnet (FM) into an antiferromagnet (AFM) by systematically tuning the crystallographic orientation of the AFM layer. By controlling the growth direction and lattice symmetry of AFM thin films, we aim to modulate spin transparency and anisotropic spin transport, which are typically governed by the interplay between spin polarization direction and the Néel vector.

To generate and detect spin currents, we employ spin pumping via ferromagnetic resonance (FMR) and detect the transmitted spin signal through the inverse spin Hall effect (ISHE) in a non-magnetic metal (NM) capping layer. By fabricating a series of FM/AFM/NM heterostructures with different AFM thicknesses and orientations, we map out the decay length and transmission efficiency of spin current as a function of crystallographic configuration.

This research provides insights into the microscopic mechanisms of spin transport in antiferromagnetic insulators and helps establish a framework for designing efficient spin-based devices using AFM materials. The results could pave the way for novel spintronic devices with improved scalability and robustness, leveraging the intrinsic advantages of antiferromagnets such as zero net magnetization, ultrafast spin dynamics, and immunity to external magnetic fields.