Estabilidad y dinámica de skyrmions de Néel en sistemas multicapa con interacción de Dzyaloshinskii-Moriya.

Abstract

Los skyrmions magnéticos han sido intensamente investigados durante la última década debido a que exhiben novedosas propiedades que los convierten en candidatos para el desarrollo de futuras generaciones de dispositivos espintrónicos, tales como, memorias pista de carreras, dispositivos lógicos, transistores o nano-osciladores. Debido a su naturaleza solitónica, los skyrmios se comportan como cuasi-particulas y por lo tanto es posible estudiar su dinámica y su estabilidad. Además, su protección topológica promete una alta estabilidad a largo plazo, de hecho, en películas delgadas infinitas, la carga topológica es una cantidad conservada, es decir, un skyrmion no puede ser llevado por una transformación continua a un estado fundamental uniforme. Desafortunadamente, las fluctuaciones térmicas producen graves consecuencias sobre su estructura magnética y grandes esfuersos teóricos y experimentales se han realizado para asegurar su estabilida bajo la influencia de la temperatura. Los efectos térmicos sobre la magnetización son, en general, una cuestión compleja de abordar y por lo tanto, investigar la dependencia de la magnetización con la temperatura siempre es un gran desafío. En esta tesis presentaremos dos estudios basados en la estabilidad y la dinámica de skyrmions tipo Néel en sistemas multicapa con interacción de Dzyaloshinskii-Moriya interfacial utilizando una aproximación micromagnética. El objetivo de nuestro primer trabajo es estudiar la respuesta de los skyrmions sometidos a un campo magnético fuera del plano y el estudio de las barreras de energía en diferentes sistemas multicapas. Los resultados que se presentarán fueron obtenidos mediante el cálculo numérico de la ecuación de Landau-Lifshitz-Gilbert y el cálculo analítico de la minimización de la energía micromagn ética respecto a un parámetro minimizable (el cual hemos considerado como el radio del skyrmion) utilizando una ansatz para caracterizar el perfil de la magnetización de un skyrmion tipo Néel. Los resultados muestran un comportamiento universal del tamaño del skyrmion sobre un nanodisco circular como función de un campo magnético aplicado fuera del plano. El cálculo de las barreras de energía, correspondientes a los diferentes estados magnéticos, muestran una gran estabilidad térmica en skyrmion de gran tamaño, mientras que, para skyrmions pequeños la estabilidad térmica es menor. El segundo trabajo desarrollado, tuvo como objetivo estudiar mediante simulaciones micromagnéticas el proceso de nucleación, aniquilación y estabilidad de skyrmions debido a corrientes polarizadas en espín en presencia de fluctuaciones térmicas. Los resultados fueron obtenidos mediante la integración numérica de la ecuación de LLG más los términos adicionales de torque por transferencia de espín y la consideración energética de la temperatura introducida como un campo estocástico en el campo efectivo. Los resultados muestran una gran dependencia de la dinámica de la magnetización con la temperatura, la corriente y el término secundario de torque por transferencia de espín y mostramos como la combinación de estos parámetros juega un rol fundamental en la búsqueda de configuraciones magnéticas específicas. De esta forma, los sistemas estudiados entregan información interesante acerca del comportamientos de los skyrmions magnéticos, que deben ser tomada en cuenta en las futuras aplicaciones de dispositivos espintrónicos.

Magnetic skyrmions have been intensively researched during the last decade because they exhibit novel properties that make them a candidate for the development of future generations of spintronic devices, such as racetrack memories, logic devices, transistors or nano-oscillators. Due to their solitonic nature, the skyrmios behave like quasi-particles and therefore it is possible to study their dynamics and their stability. In addition, its topological protection promises a high long-term stability, in fact, in infinite thin films, the topological charge is a conserved quantity, that is, a skyrmion can not be carried by a continuous transformation to a uniform ground state. Unfortunately, thermal fluctuations have serious consequences on its magnetic structure and large theoretical and experimental efforts have been made to ensure its stability under the influence of temperature. The thermal effects on the magnetization are, in general, a complex issue to tackle and therefore, investigating the dependence of the magnetization with the temperature is always a great challenge. In this thesis we will present two studies based on the stability and dynamics of Neel-type skyrmions in multilayer systems with interfacial Dzyaloshinskii-Moriya interaction using a micromagnetic approach. The aim of our first work is to study the response of skyrmions subjected to a magnetic field outside the plane and the study of energy barriers in different multilayer systems. The results that will be presented were obtained by means of the numerical calculation of the Landau-Lifshitz-Gilbert equation and the analytical calculation of the minimization of micromagnetic energy with respect to a minimizable parameter (which we have considered as the radius of the skyrmion) using a ansatz to characterize the magnetization profile of a Neel-type skyrmion. The results show a universal behavior of the size of the skyrmion on a circular nanodot as a function of a magnetic field applied outside the plane. The calculation of the energy barriers, corresponding to the different magnetic states, show a great thermal stability in large skyrmion, while for small skyrmions the thermal stability is lower. The second work developed, aimed at studying by micromagnetic simulations the process of nucleation, annihilation and stability of skyrmions due to spin-polarized currents in the presence of thermal fluctuations. The results were obtained through the numerical integration of the Landau-Lifshitz-Gilbert equation with the additional terms of spin transfer torque and the energetic consideration of the temperature introduced as a stochastic field in the effective field. The results show a great dependence of the dynamics of the magnetization with the temperature, the current and the secondary term of spin-transfer torque and we show how the combination of these parameters plays a fundamental role in the search of specific magnetic configurations. In this way, the systems studied provide interesting information about the behavior of magnetic skyrmions, which should be taken into account in future applications of spintronic devices.