Symmetry breaking effects in spin(orbit)tronic systems: from universality of anisotropic magnetoresistance in in-plane anisotropy systems to chiral Dzyaloshinskii-Moriya interaction effects in epitaxial metallic and graphene-based perpendicular anisotropy systems

Resumen

La tecnología, actual y futura, basada en espintrónica se fundamenta en la capacidad para crear nanoestructuras magnéticas en las que tanto el estado de magnetización como la respuesta de transporte puedan ajustarse según los requisitos de la aplicación. Los efectos de magnetoresistencia (MR), están relacionados al cambio de la resistividad de un material cuando se encuentra bajo estímulos externos, se explotan en la actualidad en dispositivos de espintrónica para aplicaciones avanzadas de detección magnética, grabación y memoria no volátil. Sin embargo, la comprensión microscópica de la MR durante la inversión de la magnetización no ha sido totalmente estudiada experimentalmente en muchos materiales tradicionales y especialmente en nuevos sistemas. En el campo emergente de la espinorbitrónica, que añade el grado de libertad de controlar los efectos de intercara de acoplamiento spin-órbita (SOC), los nuevos dispositivos basados en nanoestructuras magnéticas quirales prometen mayor densidad de almacenamiento y procesos más rápidos con un consumo de energía mucho menor. En este caso, se requieren más investigaciones básicas para poder adaptar los dispositivos espinorbitrónicos del futuro. Esta tesis proporciona un estudio sistemático de nanoestructuras con simetría magnética bien definida (diseñada), que incluye tanto sistemas espintrónicos como espinorbitrónicos, e introduce avances tecnológicos y científicos. Respecto al desarrollo técnico, se ha implementado una instalación experimental única, denominada M(R)OKE, que permite determinar simultáneamente el transporte y las propiedades magnéticas (resueltas vectorialmente) en las nanoestructuras magnéticas. Por otra parte, el manuscrito describe la metodología experimental para la realización de medidas (en plano y perpendicular) de anisotropías magnéticas, y como preparar nanoestructuras magnéticas con efectos quirales en la inversión de la imanación. Desde el punto de vista científico, la tesis se ha dividido en dos partes principales. La primera tiene como objetivo lograr una mejor comprensión y control de los procesos de inversión de magnetización y respuestas magnetorresistivas en sistemas espintrónicos con anisotropía en plano, incluyendo nanoestructuras de una y múltiples capas, desentrañando las diferentes contribuciones y los efectos de la simetría magnética efectiva. El segundo se ocupa de los sistemas espinorbitrónicos, incluyendo las nanoestructuras magnéticas poli-cristalinas y epitaxiales y las estructuras magnéticas basadas en grafeno, con anisotropía magnética perpendicular (PMA), incluyendo un detallado estudio de preparación y caracterización que proporciona los primeros pasos para hacer ingeniería con acoplo espín-órbita y obtener efectos quirales, ajustando PMA y la interacción Dzyaloshinskii-Moriya (DMI). Dos conclusiones generales vienen dadas. En primer lugar, la comprensión fundamental de las nanoestructuras magnéticas requiere medidas angulares en configuración vectorial. En segundo lugar, la clave que controla las propiedades de las nanoestructuras magnéticas es la simetría magnética efectiva (diseñada). A lo largo del manuscrito se presentan varios aspectos científicos importantes. En la primera parte, i) determinación de la relación directa entre el transporte y las propiedades magnéticas de los sistemas nanoestructurados, ii) demostración experimental de la universalidad del fenómeno de la magneto-resistencia anisotrópica, en sistemas con procesos magneto-resistivos de diferente origen (AMR y GMR) y en sistemas ferromagnéticos de diferente naturaleza (metálicos y óxidos), iii) observación y determinación de los efectos quirales de la MR y su dependencia directa de la anisotropía unidireccional. En la segunda parte, iv) identificación de los parámetros clave que controlan PMA y DMI tanto en sistemas policristalinos como epitaxiales, v) observación y determinación de efectos quirales sobre sistemas asimétricos con PMA, compuestos de una película FM con intercaras asimétricas, por la presencia de DMI efectivo, vi) descubrimiento de PMA fuerte en tricapas epitaxiales basadas en grafeno (Pt/Co/gr), con espesores de Co hasta 15 monocapas. Por lo tanto, estos resultados proporcionan nuevos conocimientos fundamentales dentro del nanomagnetismo abriendo nuevas vías para mejorar los dispositivos espintrónicos y desarrollar futuros dispositivos espinorbitrónicos avanzados, ambos basados en nanoestructuras magnéticas con simetría efectiva (quiral) diseñada.