Modelado micro magnético de procesos de magnetización e interacciones magneto elásticas

Resumen

El control eficiente de las propiedades estáticas y dinámicas de las texturas magnéticas a nanoescala es uno de los elementos clave hacia una espintrónica energéticamente eficiente. El control de texturas magnéticas, como paredes de dominio y skyrmions, se puede lograr utilizando varios métodos, incluido el campo magnético, la corriente polarizada por espín y los pulsos láser. Estos enfoques abrieron nuevas vías para explorar aplicaciones basadas en la espintrónica, como memorias de carreras, puertas lógicas, sinapsis de neuronas artificiales y sensores. Sin embargo, la creciente necesidad de minimizar el consumo energético de los dispositivos computacionales y de almacenamiento de datos impone la búsqueda de nuevas alternativas para controlar los sistemas magnéticos. Una de las alternativas prometedoras que ha surgido en los últimos años es el uso de campos eléctricos. Se ha demostrado que en multiferroicos artificiales, la tensión inducida por campos eléctricos se puede utilizar para lograr un control eficiente de los sistemas magnéticos mediante un acoplamiento magnetoelástico. Este método mostró un gran potencial debido a sus bajas tasas de disipación de energía. A pesar de estos logros, los efectos de la tensión en los sistemas magnéticos siguen siendo un tema de investigación fundamental. El objetivo de esta tesis es explorar nuevas formas de utilizar la deformación para controlar la estática y dinámica de la magnetización en sistemas ferromagnéticos mediante simulaciones micromagnéticas y modelos analíticos. Primero, utilizando simulaciones electromecánicas y micromagnéticas, proponemos un nuevo método para controlar el movimiento del skyrmion impulsado por la corriente. Mostramos que en un dispositivo piezoeléctrico/magnético, se puede crear un gradiente de deformación transversal debido al perfil de campo eléctrico no uniforme en la capa piezoeléctrica. Tal gradiente de tensión se transferirá al sistema magnético, induciendo una fuerza sobre los skyrmions que puede usarse para controlar su dinámica. En particular, demostramos que dicha fuerza sintoniza el efecto Skyrmion Hall tanto en películas ideales como desordenadas. En la segunda parte, nos centramos en explorar los efectos de la tensión uniforme y dependiente del espacio en las paredes del dominio magnético (DW) en tiras ferromagnéticas magnetizadas perpendicularmente. Mostramos que las deformaciones uniformes en el plano permiten un cambio eficiente del estado DW entre las configuraciones de Neel y Bloch. Luego, demostramos que los gradientes de deformación tanto dentro como fuera del plano pueden impulsar el movimiento DW en ausencia de campos magnéticos y corriente polarizada por espín. Por un lado, encontramos que el efecto de un gradiente de deformación fuera del plano sobre un DW es equivalente al de un campo externo. Por otro lado, los gradientes de deformación en el plano inducen una dinámica particular en la que el DW no presenta ruptura de Walker. Demostramos que esta dinámica depende de la dependencia del ángulo interno DW de la deformación local, lo que da como resultado un nuevo par de amortiguación que previene la aparición de un movimiento turbulento DW. En la última parte de esta tesis, ponemos énfasis en los Neel DW impulsados por torque de órbita de giro (SOT) estabilizados mediante una tensión uniforme en el plano. Mostramos que en franjas estrechas, dichos DW se mueven con una velocidad que depende linealmente de la corriente aplicada hasta un valor umbral, donde su velocidad comienza a disminuir gradualmente y posteriormente desaparece. Atribuimos este comportamiento al SOT precesional que cambia la configuración interna del DW de Neel a Bloch, lo que eventualmente anula los pares que contribuyen al sistema. En franjas anchas, volvemos a encontrar que el DW deja de moverse más allá de un cierto umbral de corriente; sin embargo, su estructura interna exhibe un patrón no uniforme con dinámicas transitorias complejas. Exploramos esta dinámica transitoria utilizando simulaciones micromagnéticas, así como un modelo unidimensional (1D) extendido que tiene en cuenta las variaciones temporales y espaciales de las coordenadas DW. Utilizando este modelo extendido, demostramos que la estructura interna de DW es una estructura ondulada regular con torceduras de 180 grados, y el ancho de la torcedura depende de la interacción de intercambio y la anisotropía magnetoelástica. Además, observamos distorsiones en la forma DW, que atribuimos a la competencia entre SOT y el par de intercambio.