Publication: Ondas de espín en cristales magnónicos quirales.
Date
2022-10-24
Authors
Flores Farías, Jorge Humberto
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Publisher
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.
Description
Keywords
ONDAS DE ESPIN , CRISTALES MAGNONICOS , QUIRALIDAD