Probing Interfacial Magnetic Anisotropy in \texorpdfstring{CoV$_{2}$O$_{4}$}{CoV2O4} using Spin Hall Magnetoresistance

Résumé technique : Sondage de l'anisotropie magnétique interfaciale de CoV2O4 par magnétorésistance de l'effet Hall de spin

Énoncé du problème
Bien que les propriétés magnétiques de volume de l'oxyde de spinel CoV2O4 (CVO) soient bien documentées — caractérisées par une transition ferrimagnétique à $T_C \approx 150$ K et une réorientation de spin induite par la température d'une anisotropie hors plan vers une anisotropie dans le plan près de 90 K — son comportement magnétique interfacial reste largement inexploré. Les techniques sensibles au volume (bulk) moyennent potentiellement l'ensemble du volume du film, ce qui peut masquer des phénomènes de surface ou d'interface distincts. De plus, des études antérieures sur les films minces de CVO ont montré une évolution complexe de l'anisotropie dépendante de la contrainte, mais la configuration magnétique spécifique à l'interface avec une couche de métal lourd, cruciale pour les applications spintroniques, nécessite un sondage plus sensible. L'étude vise à résoudre l'anisotropie magnétique interfaciale et les caractéristiques de transport de spin des hétérostructures Pt/CVO, en les distinguant du comportement de volume.

Méthodologie
Les chercheurs ont fabriqué des bicouches Pt (6 nm)/CVO (26 nm) sur des substrats de SrTiO3 (001) en utilisant la déposition par laser pulsé (PLD) pour la couche de CVO et la pulvérisation cathodique pour la surcouche de Pt. La qualité structurelle a été confirmée par diffraction de rayons X à haute résolution (HR-XRD) et réflectométrie de rayons X (XRR).

Pour étudier les propriétés magnétiques, l'étude a employé une double approche :

1. Caractérisation de volume : Des mesures de magnétisation dépendantes de la température et du champ ont été effectuées à l'aide d'un SQUID-VSM sur des échantillons de CVO nu et de Pt/CVO afin d'établir la transition magnétique de base et l'anisotropie.
2. Sondage interfacial : Des mesures de magnétorésistance de l'effet Hall de spin (SMR) ont été réalisées sur des barres de Hall structurées. L'étude a utilisé la magnétorésistance dépendant de l'angle (ADMR) en faisant pivoter le champ magnétique dans des configurations dans le plan et hors du plan.
   • Rotation dans le plan : Le champ a été pivoté dans le plan du film ($xy$-plan) pour détecter l'hystérésis et les axes faciles/difficiles.
   • Rotation hors du plan : Le champ a été pivoté de la direction dans le plan vers la normale de la surface (axe $z$) pour détecter des discontinuités indicatrices d'anisotropie.
   • Les mesures ont été prises sur une plage de température de 20 K à 120 K et à différents champs magnétiques (150 Oe à 3,5 kOe).

Résultats clés

1. Discrépance Volume vs Interface : Les mesures de magnétisation de volume sur le CVO nu et le Pt/CVO ont confirmé une transition ferrimagnétique à $\sim 150$ K et une réorientation de spin d'un axe facile hors plan vers un axe facile dans le plan près de 90 K. Cependant, les mesures SMR ont révélé un comportement distinct : une anisotropie magnétique dans le plan robuste a persisté jusqu'à 120 K, une température où les mesures de volume suggèrent un axe facile hors plan.
2. Anisotropie biaxiale à basse température : À 20 K, les scans SMR transversaux dans le plan ($\rho_{xy}$) ont présenté une hystérésis substantielle lorsque le champ magnétique était aligné selon la direction [100] (indiquant un axe difficile), tandis qu'aucune hystérésis n'a été observée selon les directions [110] et [1$\bar{1}$0]. Cela confirme une anisotropie biaxiale dans le plan avec des axes faciles selon les directions $\langle 110 \rangle$.
3. Persistance de l'anisotropie dans le plan : Contrairement aux mesures de volume qui montrent une transition vers une anisotropie hors plan au-dessus de 90 K, la réponse SMR (tant longitudinale $\rho_{xx}$ que transverse $\rho_{xy}$) n'a montré aucune discontinuité nette lors de la rotation dans le plan et a maintenu des signatures d'anisotropie dans le plan jusqu'à 120 K.
4. Signatures de rotation hors du plan : Lors de la rotation du champ hors du plan, des discontinuités prononcées ont été observées près de la direction dans le plan [010] à toutes les températures mesurées. Ceci, combiné à l'absence de discontinuités dans les scans dans le plan, indique fortement que l'interface conserve une forte anisotropie dans le plan même lorsque le volume favorise une orientation hors plan.
5. Efficacité du transport de spin : La conductance de mélange de spin ($G_r$) a été estimée dans la plage de $(1,2–3,5) \times 10^{14} \, \Omega^{-1}\text{m}^{-2}$. Cette valeur est comparable à d'autres systèmes spintroniques à base d'oxydes de haute performance (ex: MAFO/Pt) et indique que l'interface Pt/CVO est hautement transparente aux courants de spin.

Signification et affirmations
L'article affirme que la magnétorésistance de l'effet Hall de spin sert de sonde puissante, sensible à l'interface, qui révèle une anisotropie magnétique distincte des propriétés de volume des hétérostructures d'oxydes complexes. La découverte principale est le découplage du comportement magnétique de surface et de volume dans le Pt/CVO, où l'interface conserve une anisotropie dans le plan bien au-dessus de la température à laquelle le volume subit sa transition de réorientation de spin.

Les auteurs soulignent que ces résultats mettent en évidence le rôle crucial des effets interfaciaux dans le transport de spin, qui peuvent être masqués par des techniques sensibles au volume. En établissant une conductance de mélange de spin élevée et une anisotropie interfaciale distincte, l'étude positionne le Pt/CVO comme une plateforme prometteuse pour les applications spintroniques impliquant des isolants magnétiques. Ce travail souligne la nécessité d'utiliser des sondes spécifiques à l'interface comme la SMR pour contrôler précisément l'anisotropie dans les hétérostructures d'oxydes complexes pour la génération et la manipulation de courants de spin.