Spintrônica em heteroestruturas magnéticas: conversão recíproca de corrente de spin e corrente de carga

Abstract

Nos últimos 10 anos, a spintrônica vem sendo alvo de pesquisas pela comunidade científica devido a sua alta aplicabilidade tecnológica. Esta área emergente do magnetismo se destaca por acrescentar um novo grau de liberdade à eletrônica convencional: o spin. Nesta tese será apresentado, em detalhes, o estudo de fenômenos spintrônicos em filmes finos ferromagnéticos e heteroestruturas (ferromagnético/metal normal) produzidos, em sua maioria, pela técnica de evaporação catódica. A tensão elétrica na condição de ressonância ferromagnética de um filme simples de permalloy (Ni₈₁Fe₁₉ - Py) foi estudada, variando a espessura do filme entre 4 nm e 150 nm, foi possível concluir que parte desta tensão decorre do efeito magnonic charge pumping (MCP), indicando que no uso do permalloy como injetor de corrente de spin em heteroestruturas a contribuição MCP deve ser considerada. Foi observada a conversão pelo efeito Edelstein inverso (IEE) na monocamada de grafeno sobre o YIG (Y₃Fe₅O₁₂), na interface YIG/SLG, foi possível estimar a condutância mista de spin em 𝑔𝑒𝑓𝑓↑↓≈4×10¹⁷ m⁻², a eficiência de conversão Edelstein pode ser calculada na camada de grafeno em 𝜆𝑆𝐿𝐺≈10⁻³ nm. Foram produzidas as heteroestruturas Safira/6QL (Bi₀.₂₂Sb₀.₇₈)₂Tₑ₃/Py(12 nm) e Safira/6QL (Bi₀.₂₂Sb₀.₇₈)₂ Tₑ₃/NiO(5 nm)/Py(20 nm) e realizadas medidas de bombeamento de spin (SPE) e efeito spin Seebeck (SSE), em ambas foi observada a conversão de corrente de spin em corrente de carga no isolante topológico (Bi₀.₂₂Sb₀.₇₈)₂Tₑ₃, obtendo uma condutância mista de spin com valor de 𝑔𝑒𝑓𝑓↑↓≈4×10¹⁹ m⁻², além de ser possível interpretar a corrente de carga gerada pelo do efeito Edelstein inverso e estimar o comprimento Edelstein em 𝜆𝑇𝐼𝑆𝑃𝐸=0.075 nm pelo efeito SPE e 𝜆𝑇𝐼𝑆𝑆𝐸=0.076 nm pelo efeito SSE. Foi observado o efeito spin Hall inverso (ISHE) no filme de IrMn, indicando 𝑔𝑒𝑓𝑓↑↓(𝐼𝑟𝑀𝑛)≈0.43𝑔𝑒𝑓𝑓↑↓(𝑃𝑡) e coeficiente de conversão ISHE 𝜃ₛₕ(𝐼𝑟𝑀𝑛)≈0.8𝜃ₛₕ(𝑃𝑡), tanto para SPE quanto para SSE. A estrutura YIG/PANI(𝑡)/Pt(10 nm) foi produzida e através dela verificou-se o transporte de corrente de spin no polímero condutor PANI, nesse caso o filme de Pt é utilizado como detector de corrente de spin, obtendo, assim, o comprimento de difusão de spin do PANI 𝜆ₛ𝒹(𝑃𝐴𝑁𝐼)=590±40 nm. Foi possível constatar o aumento da eficiência de conversão ISHE no filme de Pt contendo nanopartículas de Ag na sua espessura média. Variando a espessura nominal do filme de Ag contido em YIG/[Pt(3 nm)-Ag(𝑡)]/Pt(3 nm), verificou-se um aumento máximo da corrente relativa 𝐼(𝑡𝐴𝑔)𝐼(𝑡𝐴𝑔=0) de 8.1 para injeção de corrente de spin por SPE e 10.0 para o efeito SSE em uma espessura 𝑡ₐ𝓰=9 nm. Além dos SPE e SSE, foi possível realizar medidas de magnetorresistência de spin (SMR), e obter um aumento do ângulo spin Hall em uma ordem de grandeza novamente para 𝑡ₐ𝓰=9 nm em relação ao filme Pt. A partir desta espessura, as nanopartículas começam a se aglutinar iniciando-se a formação de um filme contínuo de Ag e, assim, diminuindo a eficiência de conversão. Pelo fato de a Pt possuir uma conversão de aproximadamente 5%, de acordo com os resultados obtidos, a eficiência de conversão no sistema [Ag-Pt] pode chegar a 50%, o que demostra um avanço em spintrônica.