Caracterización térmica de nanocintas ferromagnéticas en experimentos de transferencia de espín

Resumen

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 10^8 A/cm^2. 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.