Dissipative magnetization textures induced by spin-transfer torques and alternating magnetic fields

Abstract

Los materiales ferromagnéticos a escala nanométrica pueden ser manipulados mediante torques por transferencia de espín y/o campos magnéticos oscilatorios. El torque por transferencia de espín es el resultado de la interacción entre los espines de un material ferromagnético y los espines de una corriente eléctrica que fluye por él. El objetivo de la presente tesis es investigar las dinámicas de la magnetización inducidas mediante torques por transferencia de espín y campos magnéticos oscilatorios. En el primer capítulo se exponen la motivación del presente estudio, los objetivos y los principales resultados. Los capítulos dos y tres de este trabajo introducen la descripción micromagnética de la magnetización y los conceptos y métodos de la física no lineal, respectivamente. En el cuarto capítulo se motivan y discuten de manera general los resultados de la presente investigación, mientras que el quinto capítulo presenta las conclusiones generales de la tesis. Los cinco capítulos siguientes (apéndices A, B, C, D y E) presentan los detalles de nuestros resultados, en formato de publicación. En el Capítulo A, se describen estados tipo patrón de la magnetización inducidos mediante torques por transferencia de espín. Estas texturas, periódicas en el espacio, son descritas mediante ecuaciones para las envolventes de los modos críticos. En el Capítulo B, se estudia la equivalencia entre el efecto de torque por transferencia de espín y los sistemas macroscópicos con inyección de energía modulada en el tiempo. En particular se demuestra que un ferromagneto forzado mediante torques por transferencia de espín exhibe los mismos estados que un medio ferromagnético rotado mecánicamente. Empleando esta equivalencia, se logra predecir texturas tales como patrones y estados localizados. En el Capítulo C, se analizan los efectos de una corriente de espín-polarizado alternante en la dinámica de la magnetización. Como resultado de este estudio, se demuestra analítica y numéricamente la existencia de una resonancia sub-armónica, y se comprueba numéricamente la emergencia de estados similares a ondas de Faraday y solitones. En el Capítulo D, se estudian sistemas macroscópicos en presencia de un forzamiento que oscila en el tiempo. Mediante un modelo fenomenológico para la envolvente de las oscilaciones, se predice y caracteriza un nuevo tipo de estado fuera del equilibrio, este es un pulso que se propaga sobre fondos periódicos. Estas soluciones se caracterizan por un incremento localizado y viajero de la amplitud del estado patrón que las soporta. Se determina que el mecanismo mediante el cual emergen los pulsos es una inestabilidad de Andronov-Hopf sub-crítica. Estos comportamientos son estudiados en un hilo magnético forzado por un campo magnético que oscila en el tiempo. En el Capítulo E, se estudian oscilaciones de patrones bidimensionales, inducidas mediante torques por transferencia de espín. Se comprueba numéricamente que los mecanismos que originan las oscilaciones son una bifurcación homoclina y una inestabilidad de Andronov-Hopf. Finalmente, el Apéndice F presenta dos actas de conferencia con resultados complementarios desarrollados en la tesis.