Ondas de espín en cristales magnónicos quirales.

Abstract

La magnónica es un campo de investigación que se centra en la dinámica de las ondas de espín (SW) en materiales magnéticos. La cuantización de estos SWs permite definir la cuasipartícula denominada magnón, de ahí el concepto de magnónica. La magnónica es un campo emergente del magnetismo moderno similar a la espintrónica pero con una diferencia sustancial. Por un lado, la espintrónica utiliza la carga eléctrica en movimiento y las propiedades del espín del electrón para codificar datos, mientras que, por otro lado, la magnónica utiliza la amplitud y la fase de propagación de las ondas de espín en los materiales magnéticos. Es decir, la espintrónica requiere corrientes eléctricas, cuyos portadores de carga pueden tener su espín en una dirección bien definida, lo que se conoce como corriente polarizada, proporcionando un grado adicional de libertad para procesar o codificar información. Sin embargo, la magnónica puede operar sin corrientes eléctricas, considerando sólo la propagación de excitaciones magnéticas en un material dado. La ausencia de corrientes eléctricas proporciona ventajas significativas, por ejemplo, pérdidas de calor de Joule reducidas. La magnónica es análogo a la fotónica o fonónica pero tiene algunos beneficios sobre estas contrapartes. Estas ventajas incluyen, por ejemplo, un menor consumo de energía, una integrabilidad más accesible y compatibilidad con los semiconductores complementarios de óxido de metal (CMOS) a, programabilidad, longitudes de onda cortas, propiedades anisotrópicas, no reciprocidad y sintonizabilidad eficiente por estímulos externos. El aspecto de onda submicrométrica, en frecuencias del orden de GHz, es relevante para el diseño de dispositivos miniaturizados que procesan información a alta velocidad. La no reciprocidad de la onda de espín es fundamental y tecnológicamente significativa. Ocurre cuando la propagación SW cambia o se prohíbe después de la inversión de la dirección de propagación y requiere romper la simetría de inversión temporal. La propagación no recíproca puede sintonizar continuamente la estructura de la banda magnónica y los anchos de banda en los medios magnéticos periódicos. Esta tesis investiga teóricamente la estructura de bandas magnónicas de cristales magnónicos quirales unidimensionales y bidimensionales, que consisten en una capa ferromagnética en contacto con un arreglo peri´odico de metales pesados. Cuando los materiales ferromagnéticos y los metales pesados están en contacto, aparece un acoplamiento de intercambio antisimétrico, conocido como interacción interfacial Dzyaloshinskii-Moriya (DMI), que genera ondas de espín no recíprocas y produce un orden magnético quiral. Se utilizaron la ecuación de Landau-Lifshitz y el método de ondas planas para estudiar el comportamiento magnetodinámico. Para el caso del cristal magnónico quiral bidimensional se ha utilizado una variación sistemática de los parámetros geométricos, la magnitud del DMI y la fracción de relleno del metal pesado. Este enfoque nos permite examinar las características de propagación de las ondas de espín, así como los perfiles espaciales de la magnetización dinámica, los contornos de isofrecuencia y las velocidades de grupo. Curiosamente, las bandas magnónicas planas omnidireccionales son inducidas por una notable interacción Dzyaloshinskii-Moriya, en la que las excitaciones de ondas de espín están activas solo debajo de las inclusiones de metales pesados. En esta tesis, también se proporciona evidencia experimental de la existencia de bandas planas para un cristal magnónico quiral unidimensional, que consiste en una película ferromagnética que incorpora un acoplamiento periódico Dzyaloshinskii- Moriya a través del contacto interfacial con una matriz regular de nanocables de platino. Bajo ciertas condiciones, se revela además que los modos magnónicos son detectables solo en una dirección, lo que permite la propagación unidireccional de las ondas de espín. Los cálculos demuestran que, dependiendo de la anisotropía perpendicular, la localización SW ocurre en zonas con o sin interacción Dzyaloshinskii- Moriya. En los dos casos estudiados en esta tesis, para el cristal magnónico quiral 1D y 2D, parte de los resultados teóricos fueron contrastados con simulaciones micromagnéticas, mostrando una concordancia razonable. Estos resultados son relevantes para prever aplicaciones asociadas a dispositivos lógicos basados en ondas de espín, donde la no reciprocidad y la canalizaci´on a trav´es del concepto de unidireccionalidad de las ondas de espín son de fundamental interés científico y práctico.