Estudo via simulação computacional da dinâmica da magnetização em nanomagnetos contendo uma distribuição de impurezas magnéticas - Toscano, Danilo (2015)
Durante as últimas décadas a dinâmica da magnetização em sistemas nano-estruturados tornou-se um assunto de importância fundamental não apenas para o Micromagnetismo, mas também às suas aplicações tecnológicas. Nanomagnetos são sistemas interessantes para estudar estruturas magnéticas exóticas, tais como vórtices, skyrmions e paredes de domínio. A compreensão das propriedades estáticas e dinâmicas dessas configurações de spins em nano-escala é um requerimento crucial para a realização de futuros dispositivos baseados em spintrônica. Devido à anisotropia de forma que se origina da interação dipolar, as configurações magnéticas que surgem em sistemas nano-estruturados são bastante sensíveis à forma geométrica e às dimensões do nanomagneto. Este trabalho é focado no estudo de nanomagnetos planares, nos formatos de disco e fita, feitos com um material magnético macio como o Permalloy. O vórtice magnético é observado num nanodisco com dimensões adequadas, porque ele é um estado intermediário entre os regimes de mono e multi-domínio. Sob condições apropriadas, uma única parede de domínio transversal pode ser experimentalmente injetada num nanofio retangular. Tanto o núcleo do vórtice quanto a parede de domínio comportam-se como quasipartículas, cujas propriedades podem ser manipuladas por um agente externo (campo magnético ou corrente de spin-polarizado). Para pequenas amplitudes de excitação, é sabido que o núcleo do vórtice descreve um movimento circular (modo girotrópico), enquanto que a parede de domínio transversal fica restrita a um movimento unidimensional. Neste regime, cada quasipartícula evolui sem mudar a sua polaridade; uma propriedade estrutural associada a um estado duplamente degenerado. Para uma amplitude de excitação forte o suficiente, a quasipartícula sofre uma deformação na sua estrutura, tal que a ocorre a inversão da polaridade. Do ponto de vista tecnológico, o controle do mecanismo de reversão da polaridade é fundamental, porque essa degenerescência de dois estados pode funcionar como "zero"ou "um", sendo útil para codificar informação no armazenamento de dados ou mesmo para realizar operações lógicas. Alguns trabalhos reportaram que nanomagnetos contendo defeitos podem influenciar ou modificar fortemente a dinâmica da quasipartícula. Imperfeições são geradas durante o processo de fabricação dos nanomagnetos, ou então elas podem ser intencionalmente incorporadas para uma finalidade específica. Como exemplo, a fim de controlar o movimento da parede de domínio é muito importante impor determinadas posições ao longo do nanofio onde a parede possa parar. Há várias maneiras de se estabelecer tais pontos críticos para a quasipartícula. Variações na geometria do nanomagneto, cavidades, entalhes e assim por diante podem ser classificadas como defeitos não-magnéticos. Em geral, esse tipo de defeito funciona como um centro atrator para a quasipartícula. Um defeito magnético surge a partir de uma falta de homogeneidade do meio magnético, ou seja, uma variação local das propriedades magnéticas. Num trabalho anterior, nosso grupo modelou uma impureza magnética como uma variação local da constante de troca. Como um resultado imediato da inserção de uma impureza magnética no nanomagneto, demonstramos via simulações numéricas, que impurezas magnéticas podem induzir dois tipos de armadilhas para a quasipartícula: uma redução local da constante de troca corresponde a um sítio de aprisionamento (poço de potencial), enquanto que um aumento local da constante de troca representa um sítio de bloqueio (barreira de potencial). Esta tese investiga a dinâmica da quasipartícula confinada por uma distribuição de impurezas magnéticas: para o caso do núcleo do vórtice considerou-se um anel de impurezas, concêntrico ao nanodisco; para o caso da parede de domínio foi considerado dois aglomerados de impurezas, idênticos e equidistantes do eixo da largura do nanofio. Os resultados obtidos para o nanodisco modificado mostraram que é possível modular a frequência girotrópica do núcleo do vórtice, que depende fortemente da razão de aspecto do disco (espessura/diâmetro). Num disco com o anel de impurezas, um ajuste fino na frequência girotrópica pode ser obtido pela variação dos parâmetros do anel. Além disso, foi observado que a inversão da polaridade do núcleo do vórtice pode ocorrer devido à interação entre o núcleo do vórtice com o anel; a reversão da polaridade num disco com o anel requer amplitudes de excitação menores do que aquelas requeridas no disco sem o anel. Os resultados obtidos para o nanofio modificado indicaram que é possível controlar posição da parede de domínio transversal; a parede pode ser de movida de um aglomerado até o outro pela simples inversão do sentido do campo magnético aplicado. A reversão da polaridade da parede de domínio transversal também foi investigada e o uso dessa distribuição de impurezas mostrou-se útil para estabilizar o movimento da parede que ocorre após a inversão da polaridade; assim a mudança da polaridade ocorre de uma forma rápida e reversível. Como um exemplo de aplicação desse nanofio modificado, propomos o seu uso como uma célula num dispositivo de memória não-volátil, que usa 2 bits por célula; ou seja, a informação pode ser armazenada tanto na posição quanto na polaridade da parede de domínio transversal. Embora os resultados apresentados aqui sejam para simples distribuições de impurezas magnéticas acreditamos que as suas consequências possam ser planejadas e estendidas para o desenvolvimento e realização de futuros dispositivos.