Caracterización térmica de nanocintas ferromagnéticas en experimentos de transferencia de espín

López López, Cristina (2018). Caracterización térmica de nanocintas ferromagnéticas en experimentos de transferencia de espín. Thesis (Doctoral), E.T.S.I. Telecomunicación (UPM). https://doi.org/10.20868/UPM.thesis.50301.

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Title: Caracterización térmica de nanocintas ferromagnéticas en experimentos de transferencia de espín
Author/s:
  • López López, Cristina
Contributor/s:
  • Prieto Martín, José Luis
  • Muñoz Sánchez, Manuel
Item Type: Thesis (Doctoral)
Date: 2018
Subjects:
Faculty: E.T.S.I. Telecomunicación (UPM)
Department: Electrónica Física
Creative Commons Licenses: Recognition - No derivative works - Non commercial

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Abstract

La posibilidad de manipular la imanación con corriente polarizada en espín en nanoestructuras ferromagnéticas, unida a la propuesta para la memoria Racetrack ha motivado intensamente el estudio dinámico de paredes de dominio en nanocintas ferromagnéticas. El funcionamiento de la memoria Racetrack se basa en el movimiento localizado de una secuencia de bits magnéticos (dominios magnéticos separados por paredes) en una pista de memoria, que es una nanocinta ferromagnética. El movimiento de esta secuencia de bits magnéticos debe obedecer únicamente a un flujo de corriente eléctrica, vía transferencia de espín. En un experimento de desenganche inducido por corriente, un dispositivo típico sería una nanocinta ferromagnética de centenas de nanómetros de ancho y unos pocos de espesor, con un estrechamiento en el medio, donde se ancla la pared de dominio. Al aplicar corriente eléctrica, la pared se mueve, se desengancha del defecto o transforma su estructura debido a la transferencia de espín. La corriente eléctrica puede ser DC; pero a menudo se aplica en pulsos del rango de nanosegundos, ya que el valor crítico de densidad de corriente que se requiere para que se produzca transferencia de espín es típicamente del orden de 108/cm2. El calentamiento Joule generado por una densidad de corriente tan elevada es un problema a tener en cuenta, incluso si esta se aplica en pulsos ultracortos. El aumento de temperatura inducido por el calentamiento Joule podría llevar al dispositivo a una temperatura cercana o superior a la temperatura de Curie (Tc), consecuencia fatal en el caso de una memoria Racetrack, pues se perdería la estructura de bits magnéticos de la nanocinta, dañando la información almacenada. Además, en la mayor parte de experimentos de desenganche de paredes de dominio con corriente esta genera gradientes térmicos dentro de la nanoestructura, junto a los contactos metálicos y en torno a la constricción; estos gradientes ya han sido asociados a efectos sobre el movimiento de las paredes. La correcta interpretación de los resultados es una tarea compleja, pues los resultados pueden parecer, a primera vista, contradictorios entre sí. Este trabajo aborda una caracterización rigurosa del comportamiento térmico de las nanocintas ferromagnéticas durante un experimento de transferencia de espín. En primer lugar, se ha desarrollado un modelo numérico del comportamiento térmico de los dispositivos, que ha sido calibrado con la respuesta experimental de nanocintas reales. Este modelo explica la controversia entre trabajos previos que estiman la temperatura media en nanocintas magnéticas cuando una corriente eléctrica fluye a través del dispositivo, usando corriente DC, pulsos largos de corriente o pulsos muy cortos de nanosegundos. Señala además directrices nuevas en cuanto al procesado de muestras experimentales (geometría, sustrato) y en cuanto al sistema experimental (corriente DC, corriente pulsada, duración de pulso) a utilizar en experimentos de transferencia de espín. En la actualidad existen trabajos recientes de simulación micromagnética combinada con transporte de calor que han reproducido experimentos previos en los que se descubre que la contribución de la transferencia de espín en comparación con la contribución térmica era apenas relevante. En consecuencia, la adecuada comprensión e identificación experimental de la transferencia de espín sigue constituyendo un desafío experimental a tener en cuenta. Los resultados obtenidos en las simulaciones numéricas permitirán la implementación de experimentos de desenganche de pared donde los eventos de origen térmico y los de transferencia de espín se evidencien y se distingan. Los resultados abren un camino muy interesante para la caracterización de este fenómeno. ----------ABSTRACT---------- The possibility of controlling the local magnetization with spin-polarized current in ferromagnetic nanostructures along with the proposal of the Racetrack memory has intensively encouraged the dynamic study of domain-walls in ferromagnetic nanostripes. Racetrack memory relies on the localized movement of a sequence of magnetic bits (defined by magnetic domains and domain-walls) in a memory track, which consists on a ferromagnetic nanostripe. The synchronized movement of this sequence must only follow the injection of electric current via spin transfer. In a current-induced depinning experiment, a typical dispositive consists on a ferromagnetic nanostripe of hundreds of nanometers wide and a few nanometers thick, with a constriction in the middle, able to trap a propagating domain-wall. As the electrical current is applied, a domain-wall may move, depin or transform its inner structure because of the spin transfer. Applied current can be both DC or RF; it is often injected in pulsed regime since the critical current density values which show spin transfer are typically high, around 108 A/cm2. Joule heating generated from such a high current density is a serious drawback for the consecution of this experiments, even if it is delivered in ultrashort pulses. The rise of temperature induced by Joule heating could lead the dispositive to a temperature value close enough or above to Curies point, which would lead to data corruption in a Racetrack dispositive, since the track would lose its magnetic bits structure. Besides, in most depinning experiments, electric current generates thermal gradients within the nanostructure, close to the metallic contact pads and in the constriction area; this gradients have already been associated to dynamic effects on domain-walls. A strict interpretation of results becomes complex, because results can easily seem to be contradictory. This work offers a rigorous thermal characterization of the ferromagnetic nanostripes in a spin transfer experiment. First of all, a numerical model has been developed which fits the experimental response of real nanostripes. This model gives an explanation to the controversy between previous works which estimate the average temperature of the nanostripe when an electric current flows through the dispositive, using DC current or long or short current pulses. It points out new directions regarding the fabrication of experimental samples (geometry, use of new substrates) and the experimental set-up (DC or RF regime, pulse length) when approaching spin transfer experiments. Recent micromagnetic simulations coupled to heat transport models have reproduced previous depinning experiments revealing a marginal influence of the spin transfer in comparison with thermal effects. Consequently, a proper comprehension and experimental identification of the spin transfer keeps being an unsolved experimental problem. Armed with the data provided by the numerical model, domain-wall depinning experiments will be implemented, identifying both thermal and magnetic effects. The results shown in this work offer new and exciting perspectives for the spin transfer characterization.

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Item ID: 50301
DC Identifier: http://oa.upm.es/50301/
OAI Identifier: oai:oa.upm.es:50301
DOI: 10.20868/UPM.thesis.50301
Deposited by: Archivo Digital UPM 2
Deposited on: 08 May 2018 11:17
Last Modified: 08 Nov 2018 23:30
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