Spintronik uygulamaları için nadir toprak demir garnet ince filmlerde manyetik anizotropi kontrolü ve tam optik ultra hızlı manyetizma kontrolü

Spine dayalı bellek ve mantık devreleri; Joule ısınmasını azaltan manyetik yalıtkanlar ve ultrahızlı spin dinamikleri sayesinde hızlı, kalıcı ve verimli çalışabilme potansiyelini içermektedir. Manyetik yalıtkan demir garnetlerden çok az sayıda bulunmaktadır ve bunların manyetik özelliklerinin kolayca ayarlanamamaları nedeniyle spintronik aygıt uygulamaları kısıtlanmaktadır. Bu nedenle, düşük güç tüketimli spintronik uygulamaları için düşey manyetik eşyönsüzlüğe ve manyetik doyum alanına sahip yeni demir garnet filmlerin geliştirilmesi gerekmektedir. Bu tezde, kuramsal, modelleme ve deneysel çalışmalarla epitaksiyel demir garnet ince filmlerin manyetik eşyönsüzlüklerin kontrolü ve kuantum sınırlandırmalı metalik nanokatmanlarda tam optik manyetizma dinamiklerinin kontrolü sunulmaktadır. İlk olarak, yalıtkan nadir toprak demir garnet (REIG) filmlerinin (Re3Fe5O12, Re; nadir toprak iyonları Y, Tm, Dy, Ho, Er, Yb, Tb, Gd, Sm, Eu) manyetik anizotropi özelliklerini tanımlamak için bir anizotropi modeli geliştirdik. Beş garnet alttaşı üzerinde örgüleri uyumlu ve epitaksiyel olarak büyütülecek on farklı REIG filmi için şekil, manyetokristal ve manyetoelastik terimlerini kullanarak efektik manyetik anizotropi fonksiyonunu hesapladık. Manyetik kolay eksenlerinin 50 film/alttaş çiftinden yirmisinin düzleme dik manyetik kolay eksene (PMA) sahip olacağını tespit ettik. Bunlardan sadece 7 tanesi deneysel olarak bugüne kadar test edilmiş ve doğrulanmıştır. PMA garnetlerinin manyetik doygunluk alanlarının neredeyse 100 kat aralığı kapsayabileceğini (300 Oe ilâ 12.6 T) ve mevcut PMA garnet sınıfını önemli ölçüde genişleteceğini öngörmekteyiz. Öngörülerimizi test etmek için 800°C ve 650°C'de darbeli lazer biriktirme kullanarak Gd3Ga5O12 ve Tb3Ga5O12 alttaşlar üzerinde 420 ve 67 nm kalınlığında Holmium demir garnet filmleri büyüttük. X-ışını girişimi ve manyetik histerezis (ardılizlem) ölçümleri, 67 nm HoIG için faz saflığını ve PMA'yı göstermektedir ve modellerimizdeki öngörümüzü doğrulamaktadır. Güncellenmiş mikroskopik üç sıcaklık modelini kullanarak lazer darbe parametrelerinin ve manyetik elemental metal ince film özelliklerinin femto- ve pikosaniye manyetizasyon dinamikleri üzerindeki etkisini sistematik olarak inceledik. Elektron, fonon ve spin banyoları arasındaki enerji transferini modelledik. Yüksek Curie sıcaklığına sahip metaller (Fe, Co ve Ni) için bir manyetizasyon inişi (ilk 200 fs) ve geri kazanımı (sonraki birkaç ps) olacağı öngörülmektedir. Kuantumla sınırlandırılmış kalınlık rejiminde (t < 50 Å), manyetik metallerdeki spin-fonon saçılmasının, durum yoğunluğunun azalması nedeniyle önemli ölçüde azalabileceği öngörmekteyiz. Bu nedenle, THz spin dalgası üretiminin, daha önce bildirilen deneysel değerlerle karşılaştırıldığında, yaklaşık bin kata kadar daha düşük lazer akısı ile uygulanabilir hâle gelebileceği tespit edilmiştir. Modellerimiz ve deneylerimizin, spintronik uygulamalar için asgari Joule ısınması gösteren PMA demir garnet sınıfını genişleteceğini ve ultra hızlı manyetizma dinamiklerini çok daha verimli bir şekilde kontrol etmeye yardımcı olabileceğini öngörmekteyiz.