Influence of chemical ordering on magnetocrystalline anisotropy and magnetoelastic properties in Weyl magnetic semimetal Co2MnGa thin films

Resumen Técnico: Influencia del Ordenamiento Químico en la Anisotropía Magnetocristalina y las Propiedades Magnetoelásticas en Películas Delgadas del Semimetal de Weyl Magnético Co2MnGa

Planteamiento del Problema
El semimetal de Weyl magnético Co2MnGa (CMG) exhibe propiedades topológicas y grandes efectos Hall anómalo y de Nernst, lo que lo convierte en un candidato para aplicaciones espintrónicas y de caloretrónica de espín. Sin embargo, la realización de estas propiedades en películas delgadas depende fuertemente del grado de ordenamiento químico (que varía desde el desordenado fase A2 hasta las fases parcialmente ordenadas B2 y totalmente ordenadas L21). Si bien estudios previos han vinculado el ordenamiento químico con la emergencia de características de semimetal de Weyl y propiedades magnéticas, la correlación específica entre el ordenamiento químico, la anisotropía magnetocristalina (MCA) y las propiedades magnetoelásticas en películas delgadas de CMG sigue sin explorarse. Comprender estas relaciones es crítico para optimizar el rendimiento de las películas, particularmente dado que las aplicaciones prácticas a menudo implican modificaciones inducidas por deformación (strain) y que las propiedades de las películas delgadas pueden diferir significativamente de los materiales masivos (bulk).

Metodología
El estudio utilizó películas delgadas epitaxiales de Co2MnGa de 75 nm de espesor crecidas sobre sustratos de MgO (001) y recubiertas con una capa de 2 nm de Al (oxidada para prevenir la formación de fases parásitas). Para inducir grados variables de ordenamiento químico, las muestras fueron recocidas a tres temperaturas distintas: 300 °C, 400 °C y 500 °C. La caracterización estructural confirmó que estas temperaturas produjeron muestras dominadas por la fase A2 (300 °C), la fase B2 (400 °C) y una mezcla que contiene aproximadamente un 23% de la fase ordenada L21 (500 °C).

La investigación empleó dos técnicas primarias de caracterización magnética:

1. Resonancia Ferromagnética (FMR): Utilizada para determinar las constantes de anisotropía magnetocristalina ($K_1$ y $K_p$) mediante la medición de las dependencias angulares del campo de resonancia tanto en direcciones en el plano como fuera del plano.
2. Resonancia Ferromagnética Modulada por Deformación (SMFMR): Utilizada para medir las propiedades magnetoelásticas anisotrópicas. Esta técnica implicó la aplicación de deformación periódica a las películas mediante una varilla de cuarzo y la medición de los desplazamientos resultantes en el campo de resonancia de la FMR. Esto permitió el cálculo de las constantes magnetoelásticas ($b_1, b_2$) y las constantes de magnetostricción ($\lambda_{100}, \lambda_{111}$).

Los resultados se compararon con sistemas de aleaciones de Heusler no topológicos previamente estudiados, específicamente el sistema Co2FexMn1-xSi, para aislar la influencia de las propiedades topológicas.

Resultados Clave

• Ordenamiento Químico y Evolución de Fases: El recocido a 500 °C introdujo con éxito la fase altamente ordenada L21 (aprox. 23% de fracción de volumen) junto con la fase B2, mientras que las temperaturas más bajas resultaron en estructuras A2 o predominantemente B2.
• Anisotropía Magnetocristalina (MCA):
  • La constante de MCA cúbica ($K_1$) exhibió una inversión de signo y un aumento en la magnitud correlacionados con la aparición de la fase L21. Para las muestras recocidas a 300 °C y 400 °C (fases A2/B2), $K_1$ fue negativa ($\approx -0.4 \times 10^4$ erg/cm³), indicando un eje fácil a lo largo de [110]. Para la muestra de 500 °C (que contiene L21), $K_1$ se volvió positiva ($2.2 \times 10^4$ erg/cm³), desplazando el eje fácil hacia [100].
  • La constante de anisotropía perpendicular ($K_p$) se mantuvo negativa (del orden de $10^5$ erg/cm³) para todas las muestras, favoreciendo la magnetización en el plano, ocurriendo el cambio más significativo tras la formación de la fase B2.
• Propiedades Magnetoelásticas:
  • Se observó una "anisotropía gigante" en las propiedades magnetoelásticas específicamente en la muestra que contiene la fase L21 (500 °C). Las constantes magnetoelásticas $b_1$ y $b_2$ difieren en casi dos órdenes de magnitud ($b_1 \approx -1.43 \times 10^7$ erg/cm³ vs. $b_2 \approx -2 \times 10^5$ erg/cm³).
  • Esto resultó en una disparidad masiva entre las constantes de magnetostricción calculadas: $\lambda_{100} = 7.7 \times 10^{-6}$ y $\lambda_{111} = 0.05 \times 10^{-6}$.
  • En contraste, las muestras con solo fases A2 o B2 mostraron una anisotropía relativamente débil entre $b_1$ y $b_2$.
• Comparación con Sistemas No Topológicos: Al compararse con Co2MnSi (que tiene una estructura cristalográfica y grado de ordenamiento similares pero carece de propiedades de semimetal de Weyl), el Co2MnGa con ordenamiento L21 exhibió una anisotropía gigante única en las constantes magnetoelásticas. En Co2MnSi, $b_1$ y $b_2$ eran casi iguales. Esto sugiere que la naturaleza topológica de la fase L21 del CMG puede desempeñar un papel en esta anisotropía, aunque los autores señalan que los cambios composicionales en sistemas no topológicos (por ejemplo, la sustitución de Fe en Co2FexMn1-xSi) también pueden inducir anisotropía.

Significancia y Reivindicaciones
El artículo afirma que el grado de ordenamiento químico es un factor crucial para determinar el comportamiento magnético y magnetoelástico de las películas delgadas de Co2MnGa. Específicamente, la emergencia de la fase ordenada L21 está directamente correlacionada con:

1. Un aumento significativo en la magnitud de la constante de anisotropía magnetocristalina cúbica y un cambio en el eje de magnetización fácil.
2. La aparición de una "anisotropía gigante" en las propiedades magnetoelásticas, caracterizada por una diferencia drástica entre las constantes $b_1$ y $b_2$.

Los autores sugieren que la estructura de bandas de la aleación de Co2MnGa con ordenamiento L21 es altamente sensible tanto a la dirección cristalográfica de la magnetización como a la orientación del tensor de deformación. Aunque proponen que la anisotropía gigante específica observada en CMG comparada con Co2MnSi puede estar vinculada a las propiedades topológicas del semimetal de Weyl, declaran explícitamente que esta hipótesis requiere de mayor verificación teórica (por ejemplo, cálculos de estructura de bandas bajo deformación) y no es definitivamente probada por este estudio por sí solo. El trabajo subraya la importancia de controlar el ordenamiento químico para ajustar el rendimiento de las películas delgadas de aleaciones de Heusler en potenciales aplicaciones de dispositivos.