Δομικές, ηλεκτρικές και μαγνητικές ιδιότητες οξειδίων του σιδήρου, Fe2O3 και Fe3O4, πυροσυσσωματωμένων σε διαφορετικές συνθήκες κενού και χρονικής διάρκειας.

Στην παρούσα διπλωματική εργασία, μελετάται η μεταβολή των δομικών, μαγνητικών και ηλεκτρικών ιδιοτήτων των οξειδίων του σιδήρου, η οποία προκαλείται από την πυροσυσσωμάτωσή τους σε διαφορετικές συνθήκες κενού και χρονικής διάρκειας. Συγκεκριμένα, μελετάται ο μαγνητίτης και το αιματίτης. Ο μαγνητίτης παρουσιάζει ακόμα και σήμερα έντονο ερευνητικό ενδιαφέρον, επειδή εμφανίζει μετάβαση σε θερμοκρασία T=120K, η οποία ονομάζεται μετάβαση Verwey και είναι 1ης τάξης. Κατά τη μετάβαση αυτή, παρατηρούνται απότομες μεταβολές των μαγνητικών, ηλεκτρικών και θερμικών ιδιοτήτων της ένωσης. Οι μεταβολές αυτές, καθώς και η θερμοκρασία μετάβασης, επηρεάζονται από τη χημική σύσταση της ένωσης, όπως πχ. την αντικατάσταση ιόντων Fe από άλλα ιόντα και το ακριβές ποσοστό του οξυγόνου. Ένα άλλο οξείδιο του σιδήρου, ο αιματίτης , παρουσιάζει μετάβαση σε διαφορετική θερμοκρασία. Η μετάβαση αυτή ονομάζεται Morin και παρουσιάζεται στους Τ=250Κ. Ως παράμετροι, η τιμή του κενού και η χρονική διάρκεια της πυροσυσσωμάτωσης μπορούν να προκαλέσουν μεταβολή της χημικής σύστασης του δείγματος, επηρεάζοντας την περιεκτικότητά του σε οξυγόνο. Από την αρθρογραφία είναι γνωστό ότι αυτό αναμένεται να προκαλέσει μεταβολές κρυσταλλογραφικές, ηλεκτρικές και μαγνητικές, συντελώντας στην μετατόπιση ή ακόμα και στην εξαφάνιση των μεταβάσεων Verwey και Morin. Το πειραματικό μέρος της εργασίας περιλαμβάνει: (α) την προτυποποίηση του κενού στην υπάρχουσα πειραματική διάταξη πυροσυσσωμάτωσης δειγμάτων υπό άντληση (φούρνος-αντλητικό σύστημα υψηλού κενού P≈10-5mbar), (β) την παρασκευή των δειγμάτων μαγνητίτη με συμπίεση σκόνης και την πυροσυσσωμάτωσή τους σε θερμοκρασία Τ=1000°C μεταβάλλοντας τόσο το κενό (τάξη μεγέθους από 10-5mbar μέχρι 103mbar), όσο και το χρόνο (από 2ώρες μέχρι 48ώρες), και (γ) τη μελέτη των (γ.i) κρυσταλλογραφικών ιδιοτήτων με περίθλαση ακτίνων X (X ray Diffraction - XRD), (γ.ii) ηλεκτρικών ιδιοτήτων με την κλασσική τεχνική των τεσσάρων επαφών σε σειρά, και (γ.iii) μαγνητικών ιδιοτήτων με μαγνητομετρία υπεραγώγιμης κβαντικής συμβολής (Superconducting Quantum Interference Device - SQUID). Συγκεκριμένα, η παρασκευή δειγμάτων πραγματοποιείται με χρήση υδραυλικής πρέσας, στην οποία η σκόνη συμπιέζεται σε μήτρα, ώστε να δημιουργηθούν τα επιθυμητά δείγματα κυλινδρικού σχήματος (h=3mm, d=5mm). Η συμπίεση προτυποποιείται και όλα τα δείγματα παρασκευάζονται πανομοιότυπα σε ονομαστική πίεση ( P=50bar). Η πυροσυσσωμάτωση γίνεται σε σταθερή θερμοκρασία T=1000°C, υπό συνθήκες ελεγχόμενου κενού, σε σωλήνα quartz. Ο έλεγχος της τιμής του κενού επιτυγχάνεται με σύστημα μηχανικής αντλίας και αντλίας διαχύσεως. Επειδή είναι γνωστό ότι η τιμή κενού επηρεάζει τη διαδικασία της παρασκευής των δειγμάτων, επιδρώντας καθοριστικά στη χημική σύστασή τους, στην παρούσα εργασία μελετήσαμε ένα εκτεταμένο εύρος τιμών κενού, όπως προαναφέρθηκε. Συγκεκριμένα, τα δύο πρώτα δείγματα θερμαίνονται σε θερμοκρασία Τ=1000°C για χρονικό διάστημα 2ώρες υπό κενό τάξης 10-5 mbar και 10-2 mbar, αντίστοιχα. Το τρίτο δείγμα θερμαίνεται στην ίδια θερμοκρασία και για ίδιο χρονικό διάστημα, αλλά σε κενό τάξης 103mbar (ατμοσφαιρική πίεση). Τα δείγματα 4 και 5 θερμαίνονται στην ίδια θερμοκρασία και σε συνθήκες υψηλού κενού, αλλά για πιο εκτεταμένους χρόνους, 12 και 48 ώρες, αντίστοιχα. Η μελέτη των κρυσταλλογραφικών ιδιοτήτων απέδειξε την αλλαγή στη χημική σύσταση των δειγμάτων. Τα δείγματα αποτελούνταν αρχικά από μαγνητίτη, όμως η περιθλασιμετρία έδειξε ότι μετά την πυροσυσσωμάτωσή τους, δεν αποτελούνται μόνο από μαγνητίτη, αλλά ανάλογα με την τιμή του κενού, και από άλλα οξείδια του σιδήρου, όπως αιματίτη. Συγκεκριμένα, τα δείγματα που θερμάνθηκαν υπό κενό τάξης 10-2 mbar και 103mbar παρουσίασαν πιο εμφανή μεταβολή στη χημική σύστασή τους από αυτά που θερμάνθηκαν υπό κενό τάξης 10-5mbar. Η μεταβολή της χημικής σύστασης των δειγμάτων αποτυπώθηκε στα περιθλασιγράμματα με μεταβολή τόσο των σχετικών εντάσεων, όσο και των θέσεων των καταγεγραμμένων κορυφών. Αυτό επιβεβαιώνει τις δομικές αλλαγές στα δείγματα, που υφίστανται κατά την πυροσυσσωμάτωση και καθορίζονται από τις συνθήκες κενού στις οποίες αυτή πραγματοποιείται. Οι μετρήσεις ηλεκτρικής αντίστασης και μαγνήτισης των δειγμάτων αποτύπωσαν την ύπαρξη των μεταβάσεων Verwey και Morin, στις θερμοκρασίες ΤV=110-112K και TM=250K, αντίστοιχα. Για την ακρίβεια, στα δείγματα που πυροσυσσωματώθηκαν υπό συνθήκες κενού της τάξης των 10-5mbar, παρουσιάζεται η μετάβαση Verwey, στην περιοχή των Τ=110-112Κ, ενώ στα δείγματα που πυροσυσσωματώθηκαν υπό συνθήκες κενού της τάξης των 10-2mbar και 103mbar, παρουσιάζεται η μετάβαση Morin, στην περιοχή των Τ=250Κ. Αυτό αποτελεί ουσιαστική απόδειξη της μεταβολής της χημικής σύστασης των δειγμάτων μετά την πυροσυσσωμάτωση. Ειδικότερα, για τα δείγματα, που πυροσυσσωματώθηκαν σε υποβαθμισμένες συνθήκες κενού η μεταβολή είναι δραστική, καθώς αρχικά αποτελούνταν από σκόνη μαγνητίτη, ενώ μετά την πυροσυσσωμάτωση, αποτελούνται από αιματίτη. Επιπρόσθετα, παρατηρείται διαφορετική συμπεριφορά της μαγνήτισης στα δείγματα, όταν εφαρμόζεται εξωτερικό μαγνητικό πεδίο, γεγονός που επιβεβαιώνει τη διαφοροποίησή τους. Συγκεκριμένα, τα δείγματα, που πυροσυσσωματώνονται υπό κενό, είναι σιδηρομαγνητικά, ενώ το δείγμα που θερμαίνεται σε ατμοσφαιρική πίεση παρουσιάζει παραμαγνητική εικόνα. Τέλος, η πυροσυσσωμάτωση σε συνθήκες υψηλού κενού, 10-5mbar, για εκτεταμένους χρόνους (24 και 48 ώρες), δείγματα μαγνητίτη, αποκάλυψε ένα ενδιαφέρον φαινόμενο στις μαγνητικές μετρήσεις για την περιοχή θερμοκρασιών κάτω από τη μετάβαση Verwey ΤV=110-112K. Συγκεκριμένα, για Τ<ΤV, αυτά τα δείγματα παρουσίασαν το φαινόμενο της «πόλωσης ανταλλαγής» (exchange bias) στον καταγραφόμενο βρόχο μαγνήτισης, όχι κατά την οριζόντια διεύθυνση (άξονας του εξωτερικά εφαρμοζόμενου μαγνητικού πεδίου) που είναι το σύνηθες, αλλά κατά την κάθετη διεύθυνση (άξονας της μαγνήτισης του δείγματος), το οποίο έχει αναφερθεί στη διεθνή αρθρογραφία πολύ λίγες φορές. Ένα σημαντικό χαρακτηριστικό αυτού του φαινομένου που καταγράψαμε είναι ότι στο δείγμα που πυροσυσσωματώθηκε για 24 ώρες σε τιμή κενού 10-5mbar, το φαινόμενο της «πόλωσης ανταλλαγής» αίρεται όταν χρησιμοποιήσουμε ένα αρκετά μεγάλο μαγνητικό πεδίο, 55 kOe, κατά τη διάρκεια μέτρησης του βρόχου μαγνήτισης. Αντίθετα, στο δείγμα που πυροσυσσωματώθηκε για 48 ώρες σε τιμή κενού 10-5mbar, δεν μπορέσαμε να άρουμε το φαινόμενο «πόλωσης ανταλλαγής», εφαρμόζοντας το ίδιο μαγνητικό πεδίο, 55kOe. Κατά πάσα πιθανότητα, σε αυτή την περίπτωση χρειάζεται ένα ακόμα μεγαλύτερο μαγνητικό πεδίο για να άρουμε το φαινόμενο «πόλωσης ανταλλαγής». Αυτή η συμπεριφορά χρήζει περαιτέρω συστηματικής διερεύνησης.This thesis presents the study of the change in the structural, magnetic and electrical properties of iron oxides, which is caused by sintering under different vacuum conditions and time duration. Magnetite is until today a key topic in low temperature solid state physics because it exhibits a 1st order transition at T=120K, the Verwey transition. During this transition, abrupt changes in the magnetic, electrical and thermal properties of the compound are observed. These changes, as well as the transition temperature, are influenced by the chemical composition of the compound, such as replacing Fe ions with other ions and the exact percentage of oxygen content. Another iron oxide, hematite, displays a different transition at a different temperature, the Morin transition, at T=250K. As undetermined parameters, the pressure and the duration of sintering can change the chemical composition of the sample, affecting its oxygen content. It is widely mentioned in the literature, that this is expected to cause crystallographic, electrical and magnetic changes, contributing to the displacement or even the disappearance of the Verwey and Morin transitions. The experimental part of the work includes: (a) the standardization of the vacuum in the existing experimental device used for sample sintering (mainly consisting of a furnace and a high vacuum pumping system), (b) the preparation of magnetite samples in powder compacted form and subsequent sintering at T=1000 °C by varying both the vacuum (order of magnitude from 10-5 mbar to 103 mbar) and the duration (from 2h to 48h); and (c) the study of (c.i) crystallographic properties with X-ray diffraction (XRD), (c.ii) electrical properties with the in-line 4 point technique and (c.iii) magnetic properties by means of a Superconducting Quantum Interference Device (SQUID). The preparation of the samples is carried out using hydraulic press in which the powder is compressed into a die to produce cylindrical shape samples (h=3mm, d=5mm). All samples are prepared identically at nominal pressure (P=50bar). Sintering is carried out at a constant temperature, T=1000°C, under controlled pressure conditions, in a quartz tube. The vacuum control is achieved with a pumping system, that consists of a mechanical and a diffusion pump. Since the vacuum condition is known to influence the process of sample preparation, having a decisive influence on their chemical composition, we have studied an extended vacuum range as discussed above. In particular, the first two samples are sintered at T=1000 °C for 2 hours under vacuum of 10-5 mbar and 10-2 mbar, respectively. The third sample is sintered at the same temperature and for the same time, but under pressure of 103 mbar (atmosphere). Samples 4 and 5 are sintered at the same temperature and under high vacuum conditions, however for a relatively extended duration, 12 and 48 hours, respectively. The study of crystallographic properties demonstrate the change in the chemical composition of the samples. The specimens consisted primarily of magnetite, however the XRD data showed that after sintering, they not only consist of magnetite, but depending on the pressure, they consist also of other iron oxides, such as hematite. In particular, the samples sintered under vacuum of 10-2mbar and 103mbar exhibited a more pronounced change in their chemical composition than those sintered under vacuum of 10-5mbar. This confirms that structural changes take place in the samples during sintering and that they further depend on the vacuum conditions where sintering is performed. The measurements of the electrical resistivity and magnetization of the samples showed the existence of the Verwey and Morin transitions at temperatures TV=110-112K, TM=250K, respectively. In fact, Verwey transition appears in samples sintered under vacuum conditions of the order of magnitude 10-5mbar, while the samples that have been sintered under vacuum conditions of 10-2mbar and 103mbar exhibit the Morin transition. This is a substantive proof that changes appear in the chemical composition of the samples when sintered. In addition, different magnetic behavior of the samples is observed under the application of an external magnetic field, a fact that further confirms their different nature. Finally, sintering under high vacuum conditions, 10-5mbar, for extended duration (24 and 48 hours) of the Fe3O4 magnetite samples, revealed an interesting phenomenon in their magnetic behavior, exclusively in the temperature range below the Verwey transition, TV=110-112K. In particular, for T<TV, these samples exhibited the phenomenon of "exchange bias" in the recorded magnetic loops, not in the horizontal direction (the axis of the externally applied magnetic field), but in the vertical direction (axis of sample magnetization), which has been rarely reported in the literature. An important feature of this phenomenon is that in the specimen sintered for 24 hours at vacuum of 10-5mbar, the phenomenon of "exchange bias" is eliminated when using a fairly large magnetic field, 55kOe, during the measurement of the magnetization loop. Instead, for the specimen sintered for 48 hours at vacuum of 10-5mbar, we could not eliminate the phenomenon of "exchange bias", by applying the same magnetic field, 55kOe. Most likely, in this case, an even larger magnetic field is needed to eliminate the phenomenon of "exchange bias". This behavior deserves more detailed investigation

Kinetics of radiation defects and carbon solute atoms in ion irradiated pure Fe

Τα φερριτικά/μαρτενσιτικά ατσάλια με βάση το σύστημα Fe-Cr-C είναι αυτή τη στιγμή τα επικρατέστερα δομικά υλικά για τα μελλοντικά εργοστάσια παραγωγής ενέργειας μέσω της πυρηνικής σύντηξης. Κύρια χαρακτηριστικά τους είναι η υψηλή αντοχή σε συνθήκες ακτινοβόλησης και οι ικανοποιητικές μηχανικές τους ιδιότητες. Ο άνθρακας αποτελεί κύριο στοιχείο του κράματος στα ατσάλια αυτής της κατηγορίας και επηρεάζει σημαντικά τις επιθυμητές μηχανικές ιδιότητες, ακόμη και κατά την ακτινοβόληση. Αναντίρρητη ανάγκη αποτελεί η περαιτέρω μελέτη των ιδιοτήτων τους, ώστε να υπάρξει βαθύτερη κατανόηση της συμπεριφοράς τους σε συνθήκες ακτινοβόλησης, καθώς προβλήματα όπως η ψαθυροποίηση κατά την ακτινοβόληση σε χαμηλή θερμοκρασία μένουν ακόμη να επιλυθούν, για να καταστεί δυνατή η επιτυχής εφαρμογή τους. Στα πλαίσια της παρούσας διπλωματική εργασίας μελετάται η αλληλεπίδραση μεταξύ των ατόμων άνθρακα και ατελειών από ακτινοβόληση στο κρυσταλλικό πλέγμα του χωροκεντρωμένου σιδήρου, ο οποίος μπορεί να θεωρηθεί ως ένα σύστημα αναφοράς που θα προσεγγίζει σε μεγάλο βαθμό την συμπεριφορά των πιο σύνθετων φερριτικών κραμάτων. Ο σκοπός αυτής της μελέτης αφορά την συσχέτιση των πιθανών επιπτώσεων της αλληλεπίδρασης των ατόμων άνθρακα με τις ατέλειες στις ιδιότητες των ατσαλιών κατά την ακτινοβόληση. Οι ατέλειες δημιουργούνται με ελεγχόμενο τρόπο κατά την ακτινοβόληση των δειγμάτων με πρωτόνια ενέργειας 5 MeV σε κρυογενική θερμοκρασία (Τ~25K). Η κινητική των ατελειών παρατηρείται κατά τη θερμική ανόπτηση των δειγμάτων. Η φυσική ποσότητα που χρησιμοποιείται για την παρατήρηση της εξέλιξης των ατελειών είναι η ηλεκτρική αντίσταση, η οποία αποτελεί ένα εξαιρετικά ευαίσθητο δείκτη των αλλαγών που συμβαίνουν στις συγκεντρώσεις ατελειών και προσμίξεων. Δείγματα καθαρού σιδήρου και σιδήρου εμπλουτισμένου με άνθρακα (220 at. ppm) χρησιμοποιήθηκαν στα πειράματα. Ένας αριθμός δειγμάτων ακτινοβολήθηκε στον επιταχυντή TANDEM 5.5MV του ΕΚΕΦΕ “Δημόκριτος”, στην ειδικά σχεδιασμένη εγκατάσταση για ακτινοβόληση δειγμάτων με ιόντα IR2, σε τρία επίπεδα δόσης. Η ακτινοβόληση των δειγμάτων διεξήχθη σε κρυογενική θερμοκρασία T=25K, όπου όλες οι ατέλειες είναι σχεδόν ακίνητες. Στη συνέχεια, τα δείγματα, ακτινοβολημένα και μη, υποβάλλονται σε ισόχρονες θερμικές ανοπτήσεις μέσω απότομης ωμικής αυτοθέρμανσης στο εύρος θερμοκρασιών 300 <T< 700K. Η θερμοκρασία ανόπτησης αυξανόταν ελεγχόμενα και σταδιακά, σε βήματα ΔΤ, διατηρώντας σταθερό ρυθμό ΔΤ/Τ~0.03. Μετά το πέρας κάθε ανόπτησης, το δείγμα βυθιζόταν ακαριαία σε περιβάλλον υγρού ηλίου (LHe) και μετρούνταν η απομένουσα ηλεκτρική αντίσταση πάντα στη θερμοκρασία των T=4K με την καθιερωμένη μέθοδο των τεσσάρων επαφών. Έτσι, παρατηρούνται η δημιουργία, η μετανάστευση και η εξαφάνιση των ατελειών, αλλά και η μετανάστευση των ατόμων άνθρακα στον κρύσταλλο. Τα διάφορα αυτά στάδια καταγράφονται και η επίδραση του άνθρακα εκτιμάται με σύγκριση των διαγραμμάτων του καθαρού και του εμπλουτισμένου σιδήρου. Τα μη-ακτινοβολημένα δείγματα σιδήρου εμπλουτισμένου με άνθρακα παρουσιάζουν δύο στάδια αποκατάστασης της αντίστασης κατά την ισόθερμη ανόπτηση: Α (440Κ) και Β (540Κ). Αυτά τα στάδια αναφέρονται στη διεθνή βιβλιογραφία και αποδίδονται στη μετανάστευση του άνθρακα και στη δημιουργία του μετασταθούς καρβιδίου τύπου ε και του σεμεντίτη, αντίστοιχα. Στα ακτινοβολημένα δείγματα σιδήρου εμπλουτισμένου με άνθρακα καταγράφονται τα στάδια IVA και IVB στους 330Κ και στους 550-600Κ, αντίστοιχα. Το στάδιο IVA αποδίδεται στην αλληλεπίδραση του άνθρακα με τις ατέλειες από ακτινοβόληση προς το σχηματισμό συμπλεγμάτων ατελειών, πιθανότατα ζευγών άνθρακα - πλεγματικού κενού. Η παρουσία τέτοιων συμπλεγμάτων καθυστερεί τη δημιουργία του καρβιδίου τύπου ε και έτσι δεν παρατηρείται το στάδιο Α στα ακτινοβολημένα δείγματα. Αντιθέτως, το στάδιο IVB καταγράφεται στην ίδια περίπου θερμοκρασία με το στάδιο Β των μη ακτινοβολημένων δειγμάτων. Έτσι, θεωρούμε ότι έχουν κοινή προέλευση και συγκεκριμένα το σχηματισμό του σεμεντίτη. Ωστόσο, στα ακτινοβολημένα με υψηλή δόση δείγματα, αυτή η διεργασία επηρεάζεται από το σχηματισμό συμπλεγμάτων άνθρακα / πλεγματικών κενών, με αποτέλεσμα το στάδιο IVB να μετατοπίζεται σε υψηλότερες θερμοκρασίες.Ferritic/martensitic steels, i.e., Fe-rich alloys with bcc structure, based on the Fe-Cr-C system, are candidate structural materials for the construction of future fusion power plants, mainly because of their high resistance to radiation damage accumulation and their desirable mechanical properties. Carbon is a main alloying element in these steels playing a major role for the desirable mechanical properties, also under irradiation. Nevertheless, a deeper understanding of the behaviour of C under irradiation conditions is still required, as issues, such as the embrittlement during low temperature irradiation, need to be resolved for the successful implementation of these steels. The present thesis focuses on the interaction between carbon atoms and radiation defects in alpha-iron, which is considered as a simple model system for the more complex ferritic steels. The aim of the investigation is to assess possible consequences of carbon/defect interactions to properties of steels under irradiation. The defects are generated during irradiation with a 5 MeV proton beam at cryogenic temperature (T~25K). Defect evolution is observed during post-irradiation thermal annealing of the samples. The physical property used for the observation of defect evolution is the electrical resistivity, which is a sensitive indicator of changes in solute atom and defect concentrations. Samples of pure and C-doped (220 at. ppm) alpha-iron were used in the experiments. A number of samples was irradiated at the 5.5MV TANDEM Accelerator of NCSR “Demokritos”, in the ion irradiation facility IR2, to three dose levels. The irradiations were performed at cryogenic temperature of T=25K, where all defects are nearly immobile. Un-irradiated and irradiated samples were subjected to isochronal annealing by rapid ohmic self-heating in the temperature range 300 < T < 700K. The annealing temperature was increased in steps, ΔΤ, keeping a constant ratio of ΔΤ/Τ~0.03. At the end of each annealing interval, the sample was rapidly quenched in liquid helium (LHe) vapor and the electrical residual resistivity was measured always at the base temperature of T=4K by the standard DC four-probe method. The migration and annihilation of defects, as well as the migration of carbon solute atoms, was observed. The effect of carbon was assessed by comparing the annealing spectra of pure and carbon-doped samples in the un-irradiated and irradiated state, respectively. The un-irradiated Fe-C alloys exhibit two resistivity recovery stages during isochronal annealing: A (440K) and B (540K). These have been also observed by previous authors and are attributed to C migration and precipitation of metastable ε-carbide and cementite, respectively. In the irradiated Fe-C specimens the recovery stages IVΑ and IVΒ are observed at 330K and 550-600K, respectively. The observation of stage IVΑ is attributed to the interaction of C with irradiation defects to form complexes, most probably vacancy-C clusters. The presence of clusters retards the process of ε-carbide formation and this is why the stage A at 440K is not observed in irradiated specimens. On the other hand the stage IVΒ occurs at approximately the same temperature as stage B in un-irradiated Fe-C and thus it has the same origin, i.e., formation of cementite. However, at high irradiation doses this process is also affected by the formation of vacancy-C complexes and IVΒ shifts to higher temperature

Homochiral antiferromagnetic merons, antimerons and bimerons realized in synthetic antiferromagnets

The ever-growing demand for device miniaturization and energy efficiency in data storage and computing technology has prompted a shift towards antiferromagnetic (AFM) topological spin textures as information carriers, owing to their negligible stray fields, leading to possible high device density and potentially ultrafast dynamics. We realize, in this work, such chiral in-plane (IP) topological antiferromagnetic spin textures, namely merons, antimerons, and bimerons in synthetic antiferromagnets by concurrently engineering the effective perpendicular magnetic anisotropy, the interlayer exchange coupling, and the magnetic compensation ratio. We demonstrate by three-dimensional vector imaging of the N\'eel order parameter, the topology of those spin textures and reveal globally a well-defined chirality, which is a crucial requirement for controlled current-induced dynamics. Our analysis reveals that the interplay between interlayer exchange and interlayer magnetic dipolar interactions plays a key role in significantly reducing the critical strength of the Dzyaloshinskii-Moriya interaction required to stabilize topological spin textures, such as AFM merons, making synthetic antiferromagnets a promising platform for next-generation spintronics applications.Comment: 18pages, 5 figure

Fiber-tip spintronic terahertz emitters

Spintronic terahertz emitters promise terahertz sources with an unmatched broad frequency bandwidth that are easy to fabricate and operate, and therefore easy to scale at low cost. However, current experiments and proofs of concept rely on free-space ultrafast pump lasers and rather complex benchtop setups. This contrasts with the requirements of widespread industrial applications, where robust, compact, and safe designs are needed. To meet these requirements, we present a novel fiber-tip spintronic terahertz emitter solution that allows spintronic terahertz systems to be fully fiber-coupled. Using single-mode fiber waveguiding, the newly developed solution naturally leads to a simple and straightforward terahertz near-field imaging system with a 90%-10% knife-edge-response spatial resolution of 30 ${\mu}m$

Terahertz spin-to-charge conversion by interfacial skew scattering in metallic bilayers

The efficient conversion of spin to charge transport and vice versa is of major relevance for the detection and generation of spin currents in spin‐based electronics. Interfaces of heterostructures are known to have a marked impact on this process. Here, terahertz (THz) emission spectroscopy is used to study ultrafast spin‐to‐charge‐current conversion (S2C) in about 50 prototypical F|N bilayers consisting of a ferromagnetic layer F (e.g., Ni81Fe19, Co, or Fe) and a nonmagnetic layer N with strong (Pt) or weak (Cu and Al) spin‐orbit coupling. Varying the structure of the F/N interface leads to a drastic change in the amplitude and even inversion of the polarity of the THz charge current. Remarkably, when N is a material with small spin Hall angle, a dominant interface contribution to the ultrafast charge current is found. Its magnitude amounts to as much as about 20% of that found in the F|Pt reference sample. Symmetry arguments and first‐principles calculations strongly suggest that the interfacial S2C arises from skew scattering of spin‐polarized electrons at interface imperfections. The results highlight the potential of skew scattering for interfacial S2C and propose a promising route to enhanced S2C by tailored interfaces at all frequencies from DC to terahertz

Electronic transparency of internal interfaces in metallic nanostructures comprising light, heavy and ferromagnetic metals measured by terahertz spectroscopy

Beermann N, Fabretti S, Hafez HA, et al. Electronic transparency of internal interfaces in metallic nanostructures comprising light, heavy and ferromagnetic metals measured by terahertz spectroscopy. Nanophotonics . 2024.We investigate the electronic transport at the internal interface within a selection of metallic bilayer nanostructures using the contact-free, all-optical method of THz time-domain spectroscopy. The Ru/Co, Ru/Pt, and Ru/Al bilayer nanostructures and their individual constituent metals are studied, with Ru representing an archetypal d-band metal, Co an archetypal ferromagnet, and Pt and Al archetypal heavy and light metals, respectively. The THz conductivity data were analyzed in terms of Drude and Bloch-Gruneisen models, and the interface current coefficient of the internal nanointerface was determined. Strong temperature dependency of the interface current coefficient in the Ru/Co nanostructure is revealed

Stabilizing perpendicular magnetic anisotropy with strong exchange bias in PtMn/Co by magneto-ionics

Bednarz B, Syskaki M-A, Pachat R, et al. Stabilizing perpendicular magnetic anisotropy with strong exchange bias in PtMn/Co by magneto-ionics. Applied Physics Letters. 2024;124(23).Electric field control of magnetic properties offers a broad and promising toolbox for enabling ultra-low power electronics. A key challenge with high technological relevance is to master the interplay between the magnetic anisotropy of a ferromagnet and the exchange coupling to an adjacent antiferromagnet. Here, we demonstrate that magneto-ionic gating can be used to achieve a very stable out-of-plane (OOP) oriented magnetization with strong exchange bias in samples with as-deposited preferred in-plane (IP) magnetization. We show that the perpendicular interfacial anisotropy can be increased by more than a factor 2 in the stack Ta/Pt/PtMn/Co/HfO2 by applying −2.5 V gate voltage over 3 nm HfO2, causing a reorientation of the magnetization from IP to OOP with a strong OOP exchange bias of more than 50 mT. Comparing two thicknesses of PtMn, we identify a notable trade-off: while thicker PtMn yields a significantly larger exchange bias, it also results in a slower response to ionic liquid gating within the accessible gate voltage window. These results pave the way for post-deposition electrical tailoring of magnetic anisotropy and exchange bias in samples requiring significant exchange bias

Generation of imprinted strain gradients for spintronics

In this work, we propose and evaluate an inexpensive and CMOS-compatible method to locally apply strain on a Si/SiOx substrate. Due to high growth temperatures and different thermal expansion coefficients, a SiN passivation layer exerts a compressive stress when deposited on a commercial silicon wafer. Removing selected areas of the passivation layer alters the strain on the micrometer range, leading to changes in the local magnetic anisotropy of a magnetic material through magnetoelastic interactions. Using Kerr microscopy, we experimentally demonstrate how the magnetoelastic energy landscape, created by a pair of openings, in a magnetic nanowire enables the creation of pinning sites for in-plane vortex walls that propagate in a magnetic racetrack. We report substantial pinning fields up to 15 mT for device-relevant ferromagnetic materials with positive magnetostriction. We support our experimental results with finite element simulations for the induced strain, micromagnetic simulations and 1D model calculations using the realistic strain profile to identify the depinning mechanism. All the observations above are due to the magnetoelastic energy contribution in the system, which creates local energy minima for the domain wall at the desired location. By controlling domain walls with strain, we realize the prototype of a true power-on magnetic sensor that can measure discrete magnetic fields or Oersted currents. This utilizes a technology that does not require piezoelectric substrates or high-resolution lithography, thus enabling wafer-level production

Tailoring Magnetic Properties and Suppressing Anisotropy in Permalloy Films by Deposition in a Rotating Magnetic Field

<p>We investigate the optimal deposition conditions for permalloy (Ni81Fe19) thin films fabricated via magnetron sputtering to achieve soft magnetic films for magnetoresistive sensing applications. The films are grown with different deposition techniques such as sputtering and molecular-beam epitaxy and parameters, including varying inert gas pressure and deposition power, and with different magnetic fields applied during the growth. Our approach enables sputtering of permalloy films with low coercivity while keeping high anisotropic magnetoresistance values. We develop a robust method to characterize the intrinsic magnetic anisotropy of the films that is not dominated by local defects and we demonstrate the possibility of magnetic anisotropy suppression via implementing a rotating magnetic field during sputtering.</p&gt

Fiber-tip spintronic terahertz emitters

<p>Spintronic terahertz emitters promise terahertz sources with an unmatched broad frequency bandwidth that are easy to fabricate and operate, and therefore easy to scale at low cost. However, current experiments and proofs of concept rely on free-space ultrafast pump lasers and rather complex benchtop setups. This contrasts with the requirements of widespread industrial applications, where robust, compact, and safe designs are needed. To meet these requirements, we present a novel fiber-tip spintronic terahertz emitter solution that allows spintronic terahertz systems to be fully fiber-coupled. Using single-mode fiber waveguiding, the newly developed solution naturally leads to a simple and straightforward terahertz near-field imaging system with a 90%-10% knife-edge-response spatial resolution of 30 μm.</p&gt