Vols estar al dia? Subscriu-te al nostre newsletter. 1 E-mail cada 2 Mesos! |
 |
Cerdanyola del Vallès, 28 de gener del 2022. Els dispositius espintrònics moderns i els mitjans de gravació magnètica habitualment consisteixen en estructures magnètiques complexes. Aquestes estructures es dissenyen ajustant amb precisió les interaccions magnètiques com l'intercanvi, les anisotropies i la magnetostàtica per aconseguir unes característiques específiques.
Una col·laboració entre el Departament de Física de la Universidad de Oviedo, el Centro de Investigación en Nanomateriales y Nanotecnología (Oviedo), el Helmholtz Zentrum Berlin für Materialien und Energie (Berlín) i el Sincrotró ALBA ha investigat la configuració magnètica d’estructures ferrimagnètiques, que se solen emprar per construir aquest tipus de dispositius. Concretament, l'estudi va centrar-se en la creació i caracterització d'una tricapa prima ferrimagnètica en la que coexisteixen interaccions magnètiques que competeixen entre sí.
Gràcies a la línia de llum MISTRAL de l'ALBA, va poder-se realitzar una tomografia magnètica vectorial dicroica del dispositiu i aquesta va revelar detalls de les complexes configuracions de magnetització de la mostra. La importància de la llum de sincrotró radica en que aquesta informació és actualment impossible d'evidenciar amb altres tècniques quan s'estudien capes primes magnètiques.
La capacitat de caracteritzar la configuració de la magnetització en estructures complexes amb interaccions magnètiques en competència permetrà generar models físics precisos que descriguin el comportament magnètic d'aquests sistemes. Així doncs, facilitarà el disseny de dispositius espintrònics i d'emmagatzematge magnètic.
Tricapa prima ferrimagnètica
La tricapa va fabricar-se amb polvorització catòdica (en anglès, sputtering) de corrent contínua, un procés físic en el que els àtoms d'un material sòlid es vaporitzen al bombardejar-los amb ions energètics, i cada capa tenia un gruix de 80nm.
La capa central és un aliatge amorf de NdCo i té una anisotropia magnètica perpendicular. La fletxa negra prima indica la magnetització dels àtoms de Co, mentre que la fletxa gruixuda ho fa de la de la capa. La capa superior és un aliatge amorf de GdCo amb una anisotropia relativament dèbil en el pla. El Co i el Gd estan acoblats antiferromagnèticament, com s'indica amb les fletxes negra i blanca, i la composició de la capa és tal que la magnetització de Gd domina sobre la de Co, donant lloc a una magnetització neta que apunta cap a baix, com s'indica amb la fletxa vermella gruixuda. Pel contrari, la capa inferior està dominada pel Co, donant lloc a una magnetització neta amb el mateix sentit que la capa central.
Figura 1. Esquema de la tricapa magnètica amb les interaccions magnètiques en competició.
La configuració de magnetització de les capes superior i inferior al llarg dels seus gruixos serà el resultat de tres interaccions que competeixen entre sí:
- La interacció d’intercanvi a les interfícies, que de fet està dominada per la dels àtoms de Co i afavoreix l'acoblament ferromagnètic del Co. Això s'indica a la Figura 1, on les tres magnetitzacions del Co tenen la mateixa direcció (fletxes negres primes).
- L'anisotropia uniaxial perpendicular a la capa central enfront les anisotropies en el pla a les capes superior i inferior.
- La magnetostàtica, que tendeix a eliminar les discontinuïtats en la magnetització i afavoreix l'alineació paral·lela de la magnetització a les interfícies creant dominis de tancament.
A més d'aquest escenari ja complex, la capa central en romanència desenvolupa dominis de bandes amb signes alterns de la magnetització normal, que s'imprimeixen a les capes superior i inferior per la interacció d'intercanvi.
Tomografia magnètica amb llum de sincrotró
En els darrers anys, diverses eines experimentals han estat capaces de visualitzar la magnetització 3D d’estructures magnètiques. La microscòpia Lorentz [1] en mostres molt primes i la tomografia dicroica de raigs X [2, 3, 4] han donat bons resultats.
Seguint aquesta tendència, els científics van investigar a la línia de llum MISTRAL la configuració magnètica de la mostra esbossada a la Figura 1 mitjançant tomografia vectorial de raigs X en transmissió mitjançant el contrast que proporciona el dicroisme magnètic.
Figura 2. Magnetització obtinguda de les dades de la tomografia magnètica realitzada a la línia de llum MISTRAL.
La Figura 2 mostra la magnetització, obtinguda a partir de les dades de la tomografia magnètica, de la capa superior en un pla situat a prop de la superfície externa de la mostra. L’eix z és normal a les capes i al pla de la figura, i el color indica el signe de la magnetització en l’eix y (my).
La figura mostra quatre dominis magnètics en una disposició de tauler d'escacs que té una magnetització aproximadament paral·lela a l'eix y amb sentits oposats. Tal i com indiquen les fletxes, la magnetització té una component relativament gran al pla x-y, el que evidencia el domini de la magnetostàtica a la superfície de terminació (la part superior de la TOP layer).
Figura 3. (a) Zoom de la Figura 2 mostrant una part de la paret que separa els dominis MD1 i MD4. (b) i (c) Magnetització als eixos z i y (mz y my) en el pla de la secció transversal indicat per la línia discontinua d'(a).
La Figura 3 il·lustra la continuïtat de la magnetització entre les capes central i inferior, donat el caràcter dominant del Co de la magnetització a la capa ferrimagnètica inferior (regions central i inferior a les seccions transversals). Tanmateix, existeix una clara discontinuïtat entre la capa superior de GdCo i la central de NdCo, degut a que el moment de Gd és el que domina el comportament de la magnetització a la capa superior. Gràcies a la resolució de volum de la tomografia, és possible observar l'existència de dos singularitats magnètiques en aquesta interfície, un vòrtex i un antivòrtex, dins dels cercles taronja i vermell.
Més detalls a la publicació:
Amb la col·laboració de la Fundació Espanyola per a la Ciència i la Tecnologia. El Sincrotró ALBA forma part de la xarxa d'Unitats de Cultura Científica i de la Innovació (UCC+i) de la Fundació Espanyola per a la Ciència i la Tecnologia (FECYT) i ha rebut suport a través del projecte FCT-20-15798.
