Nano-osciladores por transferencia de Spin, un modelo que va más allá de la aproximación macro-spin

Abstract

El objetivo general de este trabajo es estudiar la dinámica de la magnetización, tanto en el régimen lineal como no lineal, de la capa ferromagnética libre de una estructura nanopilar, cuando se inyecta una corriente polarizada en spin. Para ello, se desarrolla un modelo que utiliza un método alternativo a las simulaciones micromagnéticas usuales, siguiendo un formalismo Hamiltoniano estándar. La capa libre corresponde a un disco de un material ferromagnético suave (específicamente permalloy), de sección circular, y se aplica un campo magnético paralelo al plano que determina una magnetización de equilibrio cuasi-uniforme en su misma dirección. Si la corriente continua supera un cierto umbral, se excitan las ondas de spin y es posible observar auto-oscilaciones de la magnetización. En particular, se estudia la estabilidad de la auto-oscilación del modo que es excitado a la menor corriente crítica, considerando dos versiones del modelo: una que incluye los efectos del borde del disco, y otra que no. Además, se estudia la dinámica lineal de las ondas de spin bajo corrientes alternas. Esta tesis se organiza de la siguiente manera. En la introducción se exponen de manera resumida la motivación, los objetivos y la metodología a utilizar. El capítulo 1, que corresponde al marco teórico, introduce los conceptos básicos para comprender el problema en cuestión. En el capítulo 2 se presenta en detalle el modelo, basado en un formalismo Hamiltoniano, el cual se utiliza para estudiar la dinámica de la magnetización. En el capítulo 3 se estudia la estabilidad de la auto-oscilación del modo con corriente crítica más baja, que corresponde al modo uniforme o macro-spin. Se considera que la capa libre es muy delgada, lo cual permite aproximar el campo demagnetizante al de un plano infinito, y se determina la corriente continua crítica por sobre la cual es posible observar la auto-oscilación del modo uniforme. Luego, se determinan los modos normales de oscilación de la magnetización no uniformes y se estudia la interacción entre la auto-oscilación del modo uniforme con los modos no uniformes. Se determina cuándo comienza el crecimiento exponencial de los modos no uniformes, lo cual permite conocer el rango del espacio de parámetros donde sólo existe la oscilación del modo macro-spin de manera aislada. En el capítulo 4 se introducen los efectos que tienen los bordes del disco, considerando el campo demagnetizante completo. Primero se determina la magnetización de equilibrio que ya no es uniforme. Luego se estudian los modos normales de oscilación de un disco ferromagnético con un campo aplicado en el plano, determinándose sus formas y frecuencias. En el capítulo 5 se estudia la excitación de las ondas de spin del capítulo anterior, mediante la inyección de una corriente continua, y se determina la corriente crítica necesaria para observar auto-oscilaciones de la magnetización. Luego, se determina la región del espacio de parámetros en la cual es posible observar un sólo modo auto-oscilando. En el capítulo 6, se considera que la corriente continua es menor a la corriente crítica y se le agrega una componente alterna. Se estudia la excitación de modos normales bajo este forzamiento: se consideran los efectos del campo de Oersted y la componente perpendicular del torque por transferencia de spin, y se estudian resonancias directas y paramétricas. Finalmente se presenta una sección de conclusiones.