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Titel
Micromagnetic modeling of magnetization processes and magnetoelastic interactions
Otros títulos
Modelado micromagnético de procesos de magnetización e interacciones magnetoelásticas
Autor(es)
Director(es)
Schlagwort
Tesis y disertaciones académicas
Universidad de Salamanca (España)
Tesis Doctoral
Academic dissertations
Ferromagnetismo
Prospección magnética
Clasificación UNESCO
2202.08 Magnetismo
Fecha de publicación
2023
Resumen
[EN] Efficient control of the static and dynamic properties of magnetic textures at the
nanoscale is one of the key elements towards energy-efficient spintronics. The
control of magnetic textures such as domain walls and skyrmions can be achieved
using several methods, including magnetic field, spin-polarized current, and laser
pulses. These approaches opened up new avenues towards exploring spintronicsbased
applications such as racetrack memories, logic gates, artificial neuron synapses,
and sensors. However, the growing need to minimize the energy consumption of
computational and data storage devices imposes the to find new alternatives to
control magnetic systems. One of the promising alternatives that has emerged in
the last few years is the use of electric fields. It has been shown that in artificial
multiferroics, electric field-induced strain can be used to achieve efficient control
over magnetic systems via magnetoelastic coupling. This method showed great
potential due to its low energy dissipation rates. Despite these achievements, the
strain effects on magnetic systems are still a topic of fundamental research. The aim
of this thesis is to explore new ways to use strain to control the statics and dynamics
of magnetization in ferromagnetic systems by means of micromagnetic simulations
as well as analytical models.
First, using electro-mechanical and micromagnetic simulations, we propose a new
method to control the current-driven skyrmion motion. We show that in a piezoelectric/
magnetic device, a transverse strain gradient can be created due to the
non-uniform electric field profile in the piezoelectric layer. Such a strain gradient
will be transferred to the magnetic system, inducing a force on the skyrmions that
can be used to control their dynamics. In particular, we demonstrate that such a
force tunes the skyrmion Hall effect in both ideal and disordered films. In the second part, we focus on exploring the effects of both uniform and spacedependent
strain on magnetic domain walls (DWs) in perpendicularly magnetized
ferromagnetic strips. We show that uniform in-plane strains enable efficient switching
of the DW state between Néel and Bloch configurations. Then, we demonstrate
that both in-plane and out-of-plane strain gradients can drive DW motion in the
absence of magnetic fields and spin-polarized current. On one hand, we find that the
effect of an out-of-plane strain gradient on a DW is equivalent to that of an external
field. In-plane strain gradients, on the other hand, induce particular dynamics where the DW does not exhibit Walker breakdown. We demonstrate that this dynamics
relies on the dependency of the internal DW angle on the local strain, which results
in a new damping torque that prevents the onset of turbulent DW motion.
In the last part of this thesis, we put emphasis on the spin-orbit torque (SOT) driven
Néel DWs stabilized via uniform in-plane strain. We show that in narrow strips,
such DWs move with a velocity that depends linearly on the applied current up to a
threshold value, where their velocity starts gradually decreasing and subsequently
vanishes. We attribute this behavior to the precessional SOT that changes the
DW internal configuration from Néel to Bloch, which eventually cancels out the
torques contributing to the system. In wide strips, we again find that the DW
stops moving beyond a certain threshold current; however, its internal structure
exhibits a non-uniform pattern with complex transient dynamics. We explore this
transient dynamics using micromagnetic simulations as well as an extended onedimensional
(1D) model that accounts for both time and space variations of the
DW coordinates. Using this extended model, we demonstrate that the DW internal
structure a regular ripple structure with 180◦ kinks, with the kink width being
dependent on the exchange interaction and the magnetoelastic anisotropy. Besides,
we note distortions in the DW shape, which we attribute to the competition between
SOT and the exchange torque.
[ES] El control eficiente de las propiedades estáticas y dinámicas de las texturas magnéticas
es uno de los elementos clave hacia una spintrónica más eficiente desde
el punto de vista energético. El control de texturas magnéticas como las paredes
de dominio (DW, por sus siglas en inglés) y skyrmiones se ha logrado utilizando
varios métodos, incluyendo campos magnéticos, corrientes de espín y pulsos láser.
Estos enfoques han abierto nuevas vías para explorar aplicaciones basadas en la
spintrónica, como memorias magnéticas, puertas lógicas, neuronas artificiales y
sensores. Sin embargo, la creciente necesidad de minimizar el consumo de energía
de los dispositivos informáticos y de almacenamiento de datos impone la necesidad
de encontrar nuevas alternativas para controlar sistemas magnéticos. Una de las
alternativas más prometedoras que ha surgido en los últimos años es el uso de campos
eléctricos. Se ha demostrado que en multiferroicos artificiales, la deformación
mecánica inducida por un campo eléctrico puede utilizarse para lograr un control
eficiente sobre sistemas magnéticos mediante el acoplamiento magnetoelástico. Este
método ha mostrado un gran potencial debido a sus bajos índices de disipación
de energía. A pesar de estos logros, la manipulación de la respuesta magnética
mediante esfuerzo mecánico sigue siendo un tema de investigación fundamental.
El objetivo de esta tesis es explorar nuevas formas de utilizar la deformación para
controlar la estática y dinámica de la magnetización en sistemas ferromagnéticos a
través de simulaciones micromagnéticas y modelos analíticos.
En primer lugar, utilizando simulaciones electro-mecánicas y micromagnéticas, proponemos
un nuevo método para controlar el movimiento de skyrmiones impulsado
por corriente. Mostramos que en una estructura piezoeléctrica/magnética aparece
un gradiente de deformación transversal debido al perfil no uniforme del campo
eléctrico en la capa piezoeléctrica. Este gradiente de deformación se transferirá
al sistema magnético, induciendo una fuerza sobre los skyrmiones que se puede
utilizar para controlar su dinámica. En particular, demostraremos que esta fuerza
controla el efecto Hall de los skyrmiones tanto en películas ideales como en otras
realistas. En la segunda parte, nos centramos en explorar los efectos de una deformación,
tanto uniforme como variable espacialmente, en la estructura y el movimiento de paredes en tiras ferromagnéticas magnetizadas perpendicularmente. Mostramos que
una deformación uniforme en el plano permite un cambio en la configuración de las
paredes de dominio entre patrones de Néel y Bloch. Seguidamente, mostramos que
es posible utilizar gradientes de deformación tanto en el plano como fuera del plano
para impulsar el movimiento de las paredes de dominio en ausencia de campos
magnéticos y corrientes de espín. Por un lado, encontramos que los gradientes de
deformación fuera del plano son similares a los campos externos en términos de
movimiento de las paredes de dominio. Por otro lado, mostramos que los gradientes
de deformación en el plano inducen una dinámica particular en la que la pared de
dominio no muestra la transición al régimen turbulento. Demostramos que esta
dinámica depende del ángulo interno de la pared y de la deformación local, lo que
resulta en un nuevo torque de amortiguamiento que evita el inicio del movimiento
turbulento de la pared.
En la última parte de esta tesis, se estudia el comportamiento de las paredes de
dominio de Néel impulsadas por corrientes de espin generados por acoplamiento
espin-orbita (SOT) y estabilizadas mediante deformación uniforme en el plano.
Mostramos que, en tiras estrechas, estas paredes se mueven con una velocidad
que aumenta casi linealmente hasta un umbral de corriente, a partir de la cual su
velocidad comienza a disminuir gradualmente y finalmente se anula. Atribuimos
este comportamiento al SOT precesional, que cambia la configuración interna de
la pared de Néel a Bloch, lo que finalmente anula los torques que contribuyen al
sistema. En tiras anchas, nuevamente encontramos que la pared deja de moverse
más allá de un cierto umbral de corriente. Sin embargo, su estructura interna exhibe
un patrón no uniforme con una dinámica transitoria compleja. Exploramos esta
dinámica transitoria utilizando simulaciones micromagnéticas, así como un modelo
extendido en una dimensión que tiene en cuenta las variaciones tanto temporales
como espaciales de las coordenadas de la pared de dominio. Utilizando dicho
modelo, demostramos que la estructura interna de la pared de dominio adopta
una configuración espacial caracterizada por la presencia de transiciones de 180º
localizadas, cuya anchura depende de la interacción de intercambio y la anisotropía
magnetoelástica. Además, observamos distorsiones en la forma de la pared, que
atribuimos a la competencia entre el SOT y el torque de intercambio.
URI
DOI
10.14201/gredos.157913
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