Użytkownicy Synchrotronu SOLARIS zbadali właściwości magnetyczne cienkich antyferromagnetycznych warstw NiO(001) w epitaksjalnym układzie (Fe)/NiO/MgO(dMgO)/Cr/MgO(001) dla różnych grubości warstwy MgO, dMgO. Wyniki pomiarów liniowego dichroizmu magnetycznego promieniowania rentgenowskiego (XMLD) wykazały, że wraz ze wzrostem grubości dMgO, momenty magnetyczne w NiO reorientują z kierunku równoległego do płaszczyzny w stronę kierunku prostopadłego do płaszczyzny. Połączenie naprężeń wywieranych na NiO poprzez dolną warstwę MgO wraz ze sprzężeniem wymiennym na interfejsie ferromagnetyk/antyferromagnetyk pozwoliło na wykreowanie wielodomenowego stanu w NiO.

Ostatnie doniesienia na temat magnetotransportowych efektów w antyferromagnetykach (AFM) sprawiły, że stały się one bardzo atrakcyjnymi materiałami pod kątem zastosowań w spintronice [1]. 
Do zbadania właściwości magnetycznych antyferromagnetycznych warstw NiO(001) w układzie (Fe)/NiO/MgO(dMgO)/Cr/MgO(001) wykorzystano metodę XMLD.  Rysunek 1 pokazuje przykładowe widmo absorbcji promieniowana rentgenowskiego (XAS), zmierzone z liniową polaryzacją wiązki wzbudzającej na krawędzi L2 Ni w NiO/MgO(18 Å)/Cr. Systematyczne pomiary widm XAS wykazały, że wraz ze wzrostem grubości dMgO, momenty magnetyczne w NiO reorientują z kierunku równoległego do płaszczyzny w stronę kierunku prostopadłego do płaszczyzny. Dzięki analizie pomiarów XMLD oraz obrazów dyfrakcji niskoenergetycznych elektronów (LEED) ustalono, że przyczyną reorientacji są naprężeniami wywierane przez przekładkę MgO na warstwę NiO. 
Podczas gdy naprężenia umożliwił sterowanie anizotropią magnetyczną w NiO od strony dolnego interfesu, oddziaływanie z ferromagnetyczną warstwą wierzchnią umożliwiło wpływ na stan magnetyczny w AFM od strony jego górnego interfejsu. Interfejsowe sprzężenie wymienne pomiędzy momentami magnetycznymi Fe i NiO w układzie Fe/NiO/MgO(dMgO)/Cr/MgO(001) zostało potwierdzone w pomiarach wykorzystujących fotoemisyjny mikroskop PEEM (Rys. 2). Połączenie odpowiedniej inżynierii naprężeń na interfejsie NiO/MgO wraz ze sprzężeniem wymiennym na interfejsie Fe/NiO umożliwiło wykreowanie wielodomenowego stanu w  antyferromagnetycznym NiO. 

1.Jungfleisch, M. B., Zhang, W. & Hoffmann, A. Perspectives of antiferromagnetic spintronics. Phys. Lett. A 382, 865–871 (2018).

Rysunek 1. Przykłdowe widma absorbcyjne promieniowania rentgenowskiego (XAS) zmierzone dla dwóch różnych kątów wiązki padającej γ = 0° i γ = 60° wraz z geometrią pomiaru. (Źródło: Sci. Rep. 13, 4824 (2023))

Rysunek 2. (a) i (c) Obrazy XMCD-PEEM zebrane na krawędzi L3 Fe odpowiednio dla  Fe/NiO/MgO(10 Å)/Cr i Fe/NiO/ MgO(200 Å)/Cr. (b) i (d) Obrazy XMLD-PEEM zebrane z polaryzacją wiązki wzbudzającej zorientowaną w płaszczyźnie próbki, odpowiednio dla Fe/NiO/MgO(10 Å)/Cr oraz Fe/NiO/MgO(200 Å)/Cr (e) i (f) ilustracja schematycznie obrazująca strukturę  domenową w Fe i NiO, odpowiednio dla Fe/NiO/MgO(10 Å)/Cr i Fe/NiO/MgO(200 Å)/Cr. (Źródło: Sci. Rep. 13, 4824 (2023)).

Napisane przez: Weronika Janus

Link do publikacji:
W. Janus et al., Tunable Magnetic Anisotropy of Antiferromagnetic NiO in (Fe)/NiO/MgO/Cr/MgO(001) Epitaxial Multilayers, Sci Rep 13, 4824 (2023). doi:10.1038/s41598-023-31930-z