Effects of magnetic anisotropy on nanometric systems

Abstract

In this thesis, we study the effect of perpendicular uniaxial magnetic anisotropy on the magnetic states present in nano-disks and magnetic nano-rings. For this purpose, three works were carried out:

The first work studied the magnetic states present in a nano-ring with a perpendicular uniaxial magnetic anisotropy to the plane varying along the radius. Our results show that the states vortex, meron, knot, and out-of-plane can be observed depending on the geometry and anisotropy.

The second work studied the magnetostatic interaction between two Bubble skyrmions. Each skyrmion was stabilized on a magnetic nano disk that presents a perpendicular uniaxial anisotropy to the plane. The magnetic profile depends on the anisotropy. Our results show that depending on how the disks are positioned, the magnetic parameters of the skyrmions vary differently.

The last work studied the effect of anisotropy on the synchronization of an array of spin-torque nano-oscillators. These nano-oscillators are coupled by magnetostatic interaction. In the absence of currents, the free layer of each nano-oscillator is magnetized perpendicular to the plane, where anisotropy allows to reduce the magnetic field needed to stabilize the out-of-plane state. Furthermore, when a current distribution is considered, it was observed that anisotropy only modifies the amplitude of oscillations.

The results obtained in these studies are expected to give further insight into magnetic anisotropy’s role in stabilizing magnetic configurations in nano-rings and nano-disks. In addition, these results can be used in neuromorphic computing, the design of information storage devices, and/or radio-frequency devices.

En esta tesis, estudiamos el efecto de la anisotropía magnética uniaxial perpendicular en los estados magnéticos presentes en nano-discos y en nano-anillos magnéticos. Para ello, se realizaron tres trabajos:

El primer trabajo consistió en el estudio de los estados magnéticos presentes en un nano-anillo que posee una anisotropía magnética uniaxial perpendicular al plano que varía a lo largo del radio. Nuestros resultados muestran que dependiendo de la geometría y de la anisotropía se pueden observar los estados vórtice, meron, knot y fuera del plano.

El segundo trabajo consistió en el estudio de la interacción de dos skyrmions tipo Burbuja que interactúan de forma magnetostática. Se consideró que cada skyrmion está estabilizado en un nano-disco magnético que posee una anisotropía uniaxial perpendicular al plano. El perfil magnético depende de la anisotropía. Nuestros resultados muestran que dependiendo de como son posicionado los discos, los parámetros magnéticos de los skyrmions varían de forma diferente.

El último trabajo consistió en el estudio del efecto de la anisotropía en la sincronización de un arreglo de nano-osciladores por transferencia de espín. Estos nano-osciladores se encuentran acoplados mediante la interacción magnetostática. En ausencia de corrientes, la capa libre de cada nano-oscilador se encuentra magnetizada de forma perpendicular al plano, en donde la anisotropía permite reducir el campo magnético necesario para estabilizar el estado fuera del plano. Además, cuando se considera una distribución de corrientes, se observó que la anisotropía solo modifica la amplitud de oscilaciones.

Se espera que los resultados obtenidos en estos estudios den una mayor comprensión del rol de la anisotropía magnética en la estabilización de configuraciones magnéticas en nano-anillos y nano discos. Además, los resultados obtenidos en estos trabajos pueden ser utilizados en la computación neuromórfica, diseño de dispositivos de almacenamiento de información y/o dispositivo de radio-frecuencia.