Estudo de correntes puras de spin via injeção elétrica e detecção não local em válvulas de spin laterais de Py/Cu

Abstract

A spintrônica tem sido um campo de rápido crescimento nas últimas décadas devido ao seu vasto potencial para aplicações tecnológicas, especialmente em computação convencional e quântica. O campo teve início com a descoberta da magnetorresistência gigante em 1988, que possibilitou a manipulação do spin no transporte elétrico, desencadeando uma grande revolução no armazenamento de dados digitais. Desde então, os avanços em spintrônica têm sido significativos, evoluindo da manipulação de correntes elétricas polarizadas em spin para a geração de correntes de spin puras em metais e isolantes ferromagnéticos, a conversão de correntes de spin em correntes de carga, e o transporte de correntes de spin em sistemas antiferromagnéticos e topológicos. As correntes de spin puras envolvem o transporte do momento angular de spin sem o fluxo de carga elétrica, e atualmente representam um dos principais focos da spintrônica mundial. Essas correntes possibilitam o estudo das propriedades de transporte de spin em uma ampla gama de materiais e têm o potencial de substituir os circuitos integrados convencionais baseados em transistores. Consequentemente, explorar novos métodos para gerar e detectar correntes de spin é crucial para o avanço do campo. Entre esses métodos, destacam-se o spin pumping, o efeito Seebeck de spin e a injeção de corrente de spin não local. Em particular, a técnica de injeção não local tem atraído grande atenção, pois permite a geração, manipulação e detecção de correntes de spin unicamente por meios elétricos, sem a necessidade de configurações experimentais altamente sofisticadas. Isso abre a possibilidade de fabricar transistores de spin comercialmente viáveis. A geração e detecção de correntes de spin são realizadas por meio de uma estrutura conhecida como válvula de spin lateral, que consiste em dois nanoeletrodos ferromagnéticos conectados por um fio nanométrico feito de um material não magnético de interesse. Quando uma corrente elétrica é aplicada entre um eletrodo (injetor) e o fio nanométrico, uma corrente polarizada em spin é injetada no fio, criando uma acumulação de spin na interface FM/NM e iniciando a difusão de spin ao longo do fio. Parte dessa corrente de spin é injetada no segundo eletrodo ferromagnético (detector), e como a corrente de spin interage com a magnetização do material, a diferença de potencial entre o detector e o fio nanométrico depende da magnetização dos eletrodos. Isso possibilita a manipulação das correntes de spin que fluem pela estrutura. Nesta dissertação, foi desenvolvida uma metodologia de fabricação para válvulas de spin laterais utilizando litografia por feixe de elétrons e magnetron sputtering. Foram confeccionadas quatro amostras compostas por Py como material ferromagnético e Cu como material não magnético, com distâncias L = 246, 332, 660 e 736 nm entre o injetor e o coletor. Medidas de magnetorresistência não local foram realizadas nas amostras, possibilitando o cálculo do comprimento de difusão de spin do Cu e a polarização de spin do Py. Além disso, foi conduzido um estudo sobre a inversão da polarização da corrente de spin gerada nessas estruturas a partir da reversão da corrente elétrica DC aplicada. Palavras-chave: spintrônica; correntes de spin; magnetismo; magnetorresistência não local ; válvulas de spin lateraisSpintronics has been a rapidly growing field over the past decades due to its vast potential for technological applications, particularly in conventional and quantum computing. The field began with the discovery of giant magnetoresistance in 1988, which enabled the manipulation of spin in electrical transport, triggering a major revolution in digital data storage. Since then, advancements in spintronics have been significant, evolving from the manipulation of spin-polarized electric currents to the generation of pure spin currents in metals and ferromagnetic insulators, the conversion of spin currents into charge currents, and the transport of spin currents in antiferromagnetic and topological systems. Pure spin currents involve the transport of spin angular momentum without the flow of electric charge and are currently one of the main focuses in the global spintronics landscape. These currents enable the study of spin transport properties in a wide range of materials and hold the potential to replace conventional transistor-based integrated circuits. Consequently, exploring new methods for generating and detecting spin currents is crucial for advancing the field. Among these methods, spin pumping, the spin Seebeck effect, and non-local spin current injection stand out. In particular, the non-local injection technique has garnered significant attention as it allows for the generation, manipulation, and detection of spin currents purely through electrical means, without requiring highly sophisticated experimental setups. This opens up the possibility of fabricating commercially viable spin transistors. The generation and detection of spin currents are achieved using a structure known as a lateral spin valve, which consists of two ferromagnetic nanoelectrodes connected by a nanowire made of a non-magnetic material of interest. When an electric current is applied between one electrode (injector) and the nanowire, a spin-polarized current is injected into the nanowire, creating spin accumulation at the FM/NM interface and initiating spin diffusion along the nanowire. Part of this spin current is injected into the second ferromagnetic electrode (detector). Since the spin current interacts with the magnetization of the material, the potential difference between the detector and the nanowire depends on the magnetization of the electrodes, enabling the manipulation of spin currents flowing through the structure. In this dissertation, a fabrication methodology for lateral spin valves was developed using electron beam lithography and magnetron sputtering. Four samples were fabricated, composed of Py as the ferromagnetic material and Cu as the non-magnetic material, with injector-collector distances of L = 246, 332, 660 and 736 nm. Non-local magnetoresistance measurements were performed on the samples, allowing for the calculation of the spin diffusion length in Cu and the spin polarization of Py. Additionally, a study was conducted on the reversal of spin current polarization in these structures, driven by the reversal of the applied DC electric current. Keywords: spintronics; spin currents; magnetism; non-local magnetoresistance; lateral spin valves.