Dinámica alterna de paredes de dominio en películas ferromagnéticas ultradelgadas
Un dominio magnético es una región espacialmente conexa cuya magnetización es homogénea. Una pared de dominio magnético (PDM) es por lo tanto la interfaz (de espesores nanométricos) que separa zonas de diferente magnetización. La dinámica de las PDMs en películas delgadas juega un rol fundamental en...
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| Formato: | Tesis doctoral publishedVersion |
| Lenguaje: | Español |
| Publicado: |
Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales
2022
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| Materias: | |
| Acceso en línea: | https://hdl.handle.net/20.500.12110/tesis_n7089_Domenichini |
| Aporte de: |
| Sumario: | Un dominio magnético es una región espacialmente conexa cuya magnetización es homogénea. Una pared de dominio magnético (PDM) es por lo tanto la interfaz (de espesores nanométricos) que separa zonas de diferente magnetización. La dinámica de las PDMs en películas delgadas juega un rol fundamental en los mecanismos de inversión de la magnetización, tema de gran importancia para el desarrollo de dispositivos. Por otro lado, dado que las PDMs tienen una energía asociada y se encuentran en materiales con inhomogeneidades intrínsecas, pueden ser estudiadas en el marco de la teoría de interfaces elásticas en medios desordenados. En este marco, las paredes de dominio se pueden representar como una línea elástica sobre un potencial desordenado, cuya dinámica está definida por la relación entre la elasticidad de la pared de dominio, las características del potencial y la intensidad del campo magnético aplicado. En esta tesis, investigamos desde ese enfoque la dinámica y morfología de las PDMs en películas delgadas con anisotropía magnética perpendicular al plano, centrándonos en el estudio de la dinámica alterna. Entre las distintas técnicas que permiten estudiar procesos magnéticos dinámicos, se destacan las técnicas magneto ópticas (MO), basadas en la rotación de la polarización de la luz al incidir en materiales magnéticos. Uno de los objetivos de este trabajo fue el desarrollo y puesta a punta de un microscopio de efecto Kerr polar para experimentos de microscopía por imágenes a temperatura ambiente. El desarrollo del microscopio incluyó la definición del arreglo óptico para obtener imágenes con el mejor contraste posible entre las zonas de diferente magnetización, la definición de protocolos de análisis de imágenes para obtener versiones binarizadas de las imágenes de los dominios y el diseño de un sistema bobinas-portamuestras para poder aplicar pulsos de campo magnético de amplitud y período variable en los rangos de interés. Se estudiaron dos tipos de películas ferromagnéticas ultradelgadas, de distinta composición y provenientes de distintas fuentes. Por un lado monocapas magnéticas de P t/Co/P t y por otro lado una multicapa magnética de Pt/[Co/Ni]4/Al. En ambos tipos de muestras pudimos caracterizar estadísticamente las PDMs, tanto desde el punto de vista dinámico (velocidad en función de campo aplicado) como morfológico, encontrando valores de exponentes de creep y de rugosidad compatibles con los reportados en la bibliografía. La parte principal de esta tesis se centra en el estudio de las PDMs en dominios tipo burbuja bajo la acción de campos alternos. Aplicando pulsos cuadrados de campo magnético de media nula, observamos una deformación y una disminución progresiva del área de los dominios, que no había sido reportada previamente. Debido a que el proceso es intrínsecamente de naturaleza estadística, se generó un protocolo para obtener una descripción cuantitativa de la evolución de los dominios estadísticamente significativa, a partir de la evolución de observables convencionales como el área y el perímetro, y otros no convencionales como la correlación entre el dominio original y el resultante después de la aplicación de un número N de pulsos, o la correlación de un dominio con un círculo de igual área. Vimos que mientras el área disminuye, los dominios pierden circularidad y se van deformando hasta destruirse en el límite de cientos de ciclos. Analizando las imágenes, puede verse que los puntos de anclaje fuerte juegan un rol central en esa deformación. Se propone un modelo simple que explica el decrecimiento del área con el número de pulsos. Este modelo propone que la asimetría se genera por la fuerza asociada a la curvatura de la interfaz. Esta fuerza no había sido hasta el momento medida en forma experimental en películas magnéticas con desorden debido a que es muy pequeña, del orden la producida por el campo terrestre. Sin embargo, mostramos que ante la aplicación de campos alternos, esta fuerza se pone en evidencia y domina la evolución de los dominios. En el modelo propuesto, la fuerza debida a la tensión superficial puede asociarse a la generada por un campo efectivo aplicado en dirección contraria a la magnetización del dominio, de magnitud ∆H = C/ρ0, siendo C una constante determinada a partir de parámetros micromagnéticos, y ρ0 el radio medio del dominio. Aplicando campos ligeramente asimétricos para dominios con distintos radios logramos compensar el efecto de curvatura, encontrando resultados cuantitativamente consistentes con las predicciones del modelo. Presentamos una solución analítica válida bajo ciertas aproximaciones, que modela el decrecimiento del área bajo la acción de pulsos simétricos y con diferentes magnitudes de campo durante los primeros ciclos. Esta solución es también consistente con soluciones numéricas obtenidas a partir de una formulación tipo Ginzburg-Landau. Finalmente se analizan características de la evolución morfológica de los dominios, a partir de longitudes características que surgen de la función rugosidad y su correspondiente factor de estructura, y de la autocorrelacion de los perfiles. Los resultados presentados en esta tesis amplían el conocimiento sobre la dinámica y morfología de las PDMs. Mostramos que la dinámica alterna tiene características propias, no deducibles a partir de la descripción continua, y se muestra como una herramienta para detectar asimetrías y efectos de segundo orden. Debida a la similitud de las PDMs con otros sistemas elásticos, algunas de las conclusiones pueden extenderse más allá de sistemas ferromagnéticos. |
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