Micromagnetic study of magnetic domain wall motion: thermal effects and spin torques

Abstract

[EN]Magnetic domain walls represent the boundary between two differently aligned magnetic domains. In ferromagnetic nanostrips, they can be efficiently displaced by electrical current as a consequence of the spin transfer torque mechanism. This effect inspired a number of potential applications for logic and memory devices, which are based on the reliable control and manipulation of domain walls. These applications represent a promising alternative to CMOS based devices, which are reaching their limit in scalability. At the same time, the achievement of low-energy devices, based on domain walls, could have important consequences on the energy consumption of the Information and Communication Technology sector and, consequently, on carbon emissions and climate change. Apart from that, domain wall dynamics is also interesting from a fundamental point of view since domain walls can be displaced by several means such as electrical current, thermal gradients, spin waves etc. Furthermore, advances in material deposition opened the possibility of creating magnetic ultrathin films with a thickness of few angstroms, where the interfacial interactions with the neighbouring layers play a significant role and they can give rise to new interesting effects such as perpendicular magnetic anisotropy or the presence of the Dzyaloshinskii-Moriya interaction. Moreover, these systems are promising for the study of chiral and topological magnetism due to the presence of topologically protected patterns such as Skyrmions or chiral domain walls.

In this thesis we analyse two aspects of domain wall motion in ferromagnetic nanostructures by means of micromagnetic simulations. In the first part we analyse the influence of Joule heating and thermal gradients on domain wall dynamics. It is well known that, apart from the spin transfer torque, electrical currents also produce heating as a consequence of Joule effect. Thus, on the one hand it is important to analyse the effect of Joule heating in order to establish the real contribution of the spin transfer torque. On the other hand, Joule heating and thermal gradients can be also used to efficiently displace magnetic domain walls, although the theory behind this effect is still under debate. These studies were performed with a novel micromagnetic software which couples heat and magnetization dynamics.

In the second part, we analyse the domain wall dynamics in ultrathin systems with perpendicular magnetic anisotropy and Dzyaloshinskii-Moriya interaction. This part includes a collaboration with an experimental group from the University of Leeds (UK) and it is devoted to the fitting of the experimental data for the field and current driven domain wall motion. In particular, we analyse the role of disorder in these systems, which represents a critical issue towards the realization of domain wall devices. Finally, we analyse the dependence of the domain wall depinning field with the damping parameter.

[ES]Las paredes de dominio magnético (o paredes magnéticas) representan las fronteras entre dos dominios magnéticos en los que la magnetización está alineada en direcciones distintas. En tiras ferromagnéticas, dichas paredes puedes ser desplazadas por medio de corrientes eléctricas gracias al mecanismo de transferencia de par de espín spin transfer torque. Este efecto inspiró la propuesta de varias aplicaciones para dispositivos lógicos o de memorias magnéticas basadas en el movimiento de paredes magnéticas. Estas aplicaciones representan una alternativa a los dispositivos basados en la arquitectura CMOS, que, por otro lado, están alcanzando su límite en término de dimensiones. Al mismo tiempo, la consecución de dispositivos que requieren poca energía, basados en paredes magnéticas, puede tener un impacto importante sobre el consumo energético del sector ICT (Information and Communication Technology), y de consecuencia, sobre las emisiones de CO2 y el cambio climático. Aparte de su relevancia tecnológica, el movimiento de paredes magnéticas es interesante también desde un punto de vista fundamental. De echo, las paredes magnéticas pueden ser desplazadas por varios medios, como por ejemplo, mediante la inyección de corrientes eléctricas, gradientes térmicos, ondas de espín etc. Además, recientes progresos en la fabricación de nanomateriales ha abierto la puerta para la realización de películas ultradelgadas caracterizadas con grosor de unos pocos nanómetros. En estas películas, las interacciones interfaciales con los materiales vecinos pueden dar lugar a nuevos efectos como, por ejemplo, la anisotropía perpendicular magnética o la interacción de Dzyaloshinskii-Moriya. Igualmente, la presencia en estos sistemas de configuraciones magnéticas topológicamente protegidas, como Skyrmiones o paredes de dominios quirales, hace que sean un sistema interesante para estudiar estos nuevos estados de la materia. En esta tesis, se analizan, por medios de simulaciones micromagnéticas, dos aspectos relativos al movimiento de paredes magnéticas en tiras ferromagnéticas. En la primera parte se analiza la influencia sobre la dinámica de paredes magnéticas del calentamiento por efecto Joule y de los gradientes térmicos. De hecho, es bien conocido que, aparte del spin transfer torque, una corriente eléctrica también produce un calentamiento del material ferromagnético debido al efecto Joule. Por tanto, es importante analizar el efecto del calentamiento para establecer el alcance real de la contribución del spin transfer torque. Por otro lado, el calentamiento y los gradientes térmicos pueden ser usados también para mover las paredes, aunque la teoría sobre estos efectos está todavía en desarrollo. Los resultados de esta parte se han obtenido por medio de un código micromagnético original (desarrollado por el autor) que puede resolver de forma acoplada la dinámica de la magnetización junto con el transporte térmico en todo el sistema. En la segunda parte de la tesis, se analiza la dinámica de paredes magnéticas en películas ultradelgadas con anisotropía perpendicular y con la interacción de Dzyaloshinskii- Moriya. Esta parte incluye una colaboración con el grupo experimental Física de la materia condensada de la Universidad de Leeds y está dedicada a reproducir sus resultados experimentales sobre la dinámica de paredes excitada por campos magnéticos o corrientes eléctricas. En particular, se analizará el papel que tiene el desorden en estos sistemas. De hecho, el desorden representa un problema fundamental para la realización de dispositivos basados en paredes magnéticas. Por último, también se analiza la dependencia del campo de depinning (el campo necesario para mover una pared magnética anclada por el disorden) con el parámetro de disipación (un parámetro fenomenológico que cuantifica la disipación de energía magnética del sistema). Las principales conclusiones y contribuciones del trabajo están resumidas en la Parte IV