Magnetotransport in bismuth/cobalt multilayers : rationalizing spin-orbit proximity effect

Abstract

The interplay between strong spin-orbit coupling (SOC) and magnetization at interfaces has been a pathway for the observation of novel physical phenomena, quasi-particles and potential for design new devices. The interfaces formed by ferromagnetic materials (FM) materials and with strong SOC are strongly improved by proximity effects which allow the introduction of unexpected electronic properties in the system. It is possible to list many examples like the presence of Skyrmions on the surface of FM transition metal/heavy metals multilayers and the observation of spin-orbit torque in topological insulator and ferromagnetic metal interface. In this work, we use multilayers of Bismuth and Cobalt, as SOC and FM materials, respectively, in order to look for anomalies in magnetization and electrical transport induced at the interfaces. Even though the bismuth is not a topological insulator, it presents a strong SOC. The samples were produced by using magnetron sputtering. Multilayers of Bi(x)/Co(y) with x and y in between 0.5 and 3nm, containing about 10x repetition were grown on top of SiO2/Si wafer. The samples were characterized with magnetization and electrical transport in between 3 K and 300 K. From electrical transport experiments we observed an unexpected increase of the resistance. Both Anomalous Hall Effect and Anomalous Magnetoresistance indicate the occurrence of an enhancement of SOC at the Co layers induced by the Bi layer.

A interação entre o acoplamento spin-órbita (SOC) e magnetização em interfaces tem sido um caminho para a observação de novos fenômenos físicos, quase-partículas e potencial para projetar novos dispositivos. As interfaces formadas por materiais ferromagnéticos (FM) e com forte SOC são fortemente potencializadas por efeitos de proximidade, que permitem a introdução de propriedades eletrônicas inesperadas ao sistema. É possível listar muitos exemplos, como a presença de Skyrmions na superfície de multicamadas de metal de transição FM e metais pesados e a observação de torque spin-órbita em isolante topológico e interface de metal ferromagnético. Neste trabalho de mestrado, usamos multicamadas de bismuto e cobalto, como materiais SOC e FM, respectivamente, a fim de procurar anomalias na magnetização e transporte elétrico induzido nas interfaces. Embora o bismuto não seja um isolante topológico, ele apresenta um forte SOC. As amostras foram produzidas usando magnetron sputtering. Multicamadas de Bi (x) / Co (y) com xey entre 0,5 e 3nm, contendo cerca de 10x de repetição, foram cultivadas no topo da pastilha de SiO2 / Si. As amostras foram caracterizadas com magnetização e transporte elétrico entre 3 K e 300 K. Resultados do magnetotransporte do efeito Hall anômalo e de magnetorresistência anômala apontam para um aumento do SOC nas camadas de Co induzido pela camada Bi.