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Cerdanyola del Vallès, 28 de enero de 2022. Los dispositivos espintrónicos modernos y los medios de grabación magnética habitualmente consisten en estructuras magnéticas complejas. Estas estructuras se diseñan ajustando con precisión las interacciones magnéticas como el intercambio, las anisotropías y la magnetostática para conseguir características específicas.
Una colaboración entre el Departamento 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) y el Sincrotrón ALBA ha investigado la configuración magnética de estructuras ferrimagnéticas, que se suelen emplear para construir este tipo de dispositivos. Concretamente, el estudio se centró en la creación y caracterización de una tricapa fina ferrimagnética en la que coexisten interacciones magnéticas que compiten entre sí.
Gracias a la línea de luz MISTRAL de ALBA, se pudo realizar una tomografía magnética vectorial dicroica del dispositivo y ésta reveló detalles de las complejas configuraciones de magnetización de la muestra. La importancia de la luz de sincrotrón radica en que esta información es actualmente imposible de evidenciar con otras técnicas cuando se estudian capas finas magnéticas.
La capacidad de caracterizar la configuración de la magnetización en estructuras complejas con interacciones magnéticas compitiendo ayudará a generar modelos físicos precisos que describan el comportamiento magnético de estos sistemas. Así pues, facilitará el diseño de dispositivos espintrónicos y de almacenamiento magnético.
Tricapa fina ferrimagnética
La tricapa se fabricó con pulverización catódica (en inglés, sputtering) de corriente continua, un proceso físico en el que los átomos de un material sólido se vaporizan al bombardearlos con iones energéticos, y cada capa tenía un grosor de 80nm.
La capa central es una aleación amorfa de NdCo y tiene una anisotropía magnética perpendicular. La flecha negra fina indica la magnetización de los átomos de Co, mientras que la flecha ancha lo hace de la de la capa. La capa superior es una aleación amorfa de GdCo con una anisotropía relativamente débil en el plano. El Co y el Gd están acoplados antiferromagnéticamente, como se indica con las flechas negra y blanca, y la composición de la capa es tal que la magnetización de Gd domina sobre la de Co, dando lugar a una magnetización neta que apunta hacia abajo, como se indica con la flecha roja ancha. Por el contrario, la capa inferior está dominada por el Co, dando lugar a una magnetización neta con el mismo sentido que la capa central.
Figura 1. Esquema de la tricapa magnética con las interacciones magnéticas en competición.
La configuración de magnetización de las capas superior e inferior a lo largo de sus grosores será el resultado de tres interacciones que compiten entre sí:
- La interacción de intercambio en las interfaces, que de hecho está dominada por la de los átomos de Co y favorece el acoplamiento ferromagnético del Co. Esto se indica en la Figura 1, donde las tres magnetizaciones del Co tienen la misma dirección (flechas negras finas).
- La anisotropía uniaxial perpendicular en la capa central frente a las anisotropías en el plano en las capas superior e inferior.
- La magnetostática que tiende a eliminar las discontinuidades en la magnetización y favorece la alineación paralela de la magnetización en las interfaces creando dominios de cierre.
Además de este escenario ya de por sí complejo, la capa central en remanencia desarrolla dominios de bandas con signos alternos de la magnetización normal, que se imprimen en las capas superior e inferior por la interacción de intercambio.
Tomografía magnética con luz de sincrotrón
En los últimos años, varias herramientas experimentales han sido capaces de visualizar la magnetización 3D de estructuras magnéticas. La microscopía Lorentz [1] en muestras muy finas y la tomografía dicroica de rayos X [2, 3, 4] han dado buenos resultados.
Siguiendo esta tendencia, el equipo científico investigó en la línea de luz MISTRALla configuración magnética de la muestra esquematizada en la Figura 1 mediante tomografía vectorial de rayos X en transmisión mediante el contraste que proporciona el dicroísmo magnético.
Figura 2. Magnetización obtenida de los datos de la tomografía magnética realizada en la línea de luz MISTRAL.
La figura 2 muestra la magnetización, obtenida a partir de los datos de la tomografía magnética, de la capa superior en un plano situado cerca de la superficie externa de la muestra. El eje z es normal a las capas y al plano de la figura, y el color indica el signo de la magnetización en el eje y (my).
La figura muestra cuatro dominios magnéticos en una disposición de tablero de ajedrez que tienen una magnetización aproximadamente paralela al eje y con sentidos opuestos. Tal y como indican las flechas, la magnetización tiene una componente relativamente grande en el plano x-y, lo que evidencia el dominio de la magnetostática en la superficie de terminación (la parte superior de la TOP layer).
Figura 3. (a) Zoom de la Figura 2 mostrando una parte de la pared que separa los dominios MD1 y MD4. (b) y (c) Magnetización en los ejes z e y (mz y my) en el plano de la sección transversal indicado por la línea discontinua en (a).
La Figura 3 ilustra la continuidad de la magnetización entre las capas central e inferior, dado el carácter dominante del Co de la magnetización en la capa ferrimagnética inferior (regiones central e inferior en las secciones transversales). Sin embargo, existe una clara discontinuidad entre la capa superior de GdCo y la central de NdCo, debido a que el momento del Gd es el que domina el comportamiento de la magnetización en la capa superior. Gracias a la resolución de volumen de la tomografía, es posible además observar la existencia de dos singularidades magnéticas en esta interfaz, un vórtice y un antivórtice, dentro de los círculos naranja y rojo.
Más detalles disponibles en la publicación:
Con la colaboración de la Fundación Española para la Ciencia y la Tecnología. El Sincrotrón ALBA forma parte de la red de Unidades de Cultura Científica y de la Innovación (UCC+i) de la Fundación Española para la Ciencia y la Tecnología (FECYT) y ha recibido apoyo a través del proyecto FCT-20-15798.
