En el presente trabajo se hace un estudio teórico de la resonancia ferromagnética en un tipo especial de multicapa magnética llamada “válvula de espín”. Dicha válvula de espín consiste de dos capas ferromagnéticas separadas por un espaciador no magnético que en conjunto se encuentran sobre un substrato antiferromagnético. Respecto a la válvula de espín es bien sabido que el espesor del espaciador no magnético juega un rol clave en el comportamiento electrónico y magnético de esta multicapa, la cual, en ausencia de un campo externo, da lugar a la existencia de un acoplamiento entre las magnetizaciones de las capas ferromagnéticas. Para estudiar este acoplamiento magn´etico se hace uso de la ecuación de Landau-Lifshitz ya que ésta describe muy bien la dinámica de la magnetización y su evolución temporal, donde la frecuencia de precesión de la magnetización está determinada por el campo interno local Heff. Este campo proviene de distintas fuentes tales como: anisotropías de forma, magnetocristalina, de superficie y campo externo. Por ende,siguiendo el modelo de Smity Beljers [Smit55],se puede utilizar la energía libre total del sistema para obtener el campo efectivo interno Heff y resolver la ecuación de Landau-Lifshitz para pequeñas osilaciones de la magnetización. Como resultado, se obtiene la relación de dispersión en la que se encuentra implícita la dependencia entre la frecuencia de resonancia y el campo externo; que está en buen acuerdo con lo publicado en la literatura [Layadi 05],[Zhang 94].Por otro lado, si se mantiene fija la frecuencia de resonancia f, se obtiene el campo de resonancia en función de su orientación dentro del plano de las capas, las cuales se encuentran también en buen acuerdo con lo publicado [Azevedo 05]. Además cabe resaltar que estos resultados teóricos se han utilizado para el estudio del sistema IrMn/Co/Ru(t)/FeNi [Alayo 11], para distintos espesores t de la capa no magnética, identificándose tres tipos de acoplamiento de intercambio intercapa o fuerza de acoplamiento J. Para t=200 ˚A se observa una simetría en la dependencia angular del campo de resonancia indicando que no existe un acoplamiento entre las capas magnéticas debido al gran espesor de la capa espaciadora. Para t=32 ˚A se observa un acoplamiento antiferromagnético; es decir, las magnetizaciones se encuentran alineadas antiparalelamente en el cual hay una gran contribución del acoplamiento bicuadrático. Finalmente, para t=24 ˚A se observa un acoplamiento paralelo o ferromagnético de las magnetizaciones. / Tesis

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Doctora en Ciencias, Mención Física / El objetivo general de este trabajo es estudiar la dinámica de la magnetización, tanto en el régimen lineal como no lineal, de la capa ferromagnética libre de una estructura nanopilar, cuando se inyecta una corriente polarizada en spin. Para ello, se desarrolla un modelo que utiliza un método alternativo a las simulaciones micromagnéticas usuales, siguiendo un formalismo Hamiltoniano estándar. La capa libre corresponde a un disco de un material ferromagnético suave (específicamente permalloy), de sección circular, y se aplica un campo magnético paralelo al plano que determina una magnetización de equilibrio cuasi-uniforme en su misma dirección. Si la corriente continua supera un cierto umbral, se excitan las ondas de spin y es posible observar auto-oscilaciones de la magnetización. En particular, se estudia la estabilidad de la auto-oscilación del modo que es excitado a la menor corriente crítica, considerando dos versiones del modelo: una que incluye los efectos del borde del disco, y otra que no. Además, se estudia la dinámica lineal de las ondas de spin bajo corrientes alternas. Esta tesis se organiza de la siguiente manera. En la introducción se exponen de manera resumida la motivación, los objetivos y la metodología a utilizar. El capítulo 1, que corresponde al marco teórico, introduce los conceptos básicos para comprender el problema en cuestión. En el capítulo 2 se presenta en detalle el modelo, basado en un formalismo Hamiltoniano, el cual se utiliza para estudiar la dinámica de la magnetización. En el capítulo 3 se estudia la estabilidad de la auto-oscilación del modo con corriente crítica más baja, que corresponde al modo uniforme o macro-spin. Se considera que la capa libre es muy delgada, lo cual permite aproximar el campo demagnetizante al de un plano infinito, y se determina la corriente continua crítica por sobre la cual es posible observar la auto-oscilación del modo uniforme. Luego, se determinan los modos normales de oscilación de la magnetización no uniformes y se estudia la interacción entre la auto-oscilación del modo uniforme con los modos no uniformes. Se determina cuándo comienza el crecimiento exponencial de los modos no uniformes, lo cual permite conocer el rango del espacio de parámetros donde sólo existe la oscilación del modo macro-spin de manera aislada. En el capítulo 4 se introducen los efectos que tienen los bordes del disco, considerando el campo demagnetizante completo. Primero se determina la magnetización de equilibrio que ya no es uniforme. Luego se estudian los modos normales de oscilación de un disco ferromagnético con un campo aplicado en el plano, determinándose sus formas y frecuencias. En el capítulo 5 se estudia la excitación de las ondas de spin del capítulo anterior, mediante la inyección de una corriente continua, y se determina la corriente crítica necesaria para observar auto-oscilaciones de la magnetización. Luego, se determina la región del espacio de parámetros en la cual es posible observar un sólo modo auto-oscilando. En el capítulo 6, se considera que la corriente continua es menor a la corriente crítica y se le agrega una componente alterna. Se estudia la excitación de modos normales bajo este forzamiento: se consideran los efectos del campo de Oersted y la componente perpendicular del torque por transferencia de spin, y se estudian resonancias directas y paramétricas. Finalmente se presenta una sección de conclusiones. / Este trabajo ha sido parcialmente financiado por Becas Conicyt 2012 folio núm. 21120160, CEDENNA y FONDECYT N° 1130192

Doctor en Ciencias, Mención Física / Los materiales ferromagnéticos a escala nanométrica pueden ser manipulados mediante torques por transferencia de espín y/o campos magnéticos oscilatorios. El torque por transferencia de espín es el resultado de la interacción entre los espines de un material ferromagnético y los espines de una corriente eléctrica que fluye por él. El objetivo de la presente tesis es investigar las dinámicas de la magnetización inducidas mediante torques por transferencia de espín y campos magnéticos oscilatorios. En el primer capítulo se exponen la motivación del presente estudio, los objetivos y los principales resultados. Los capítulos dos y tres de este trabajo introducen la descripción micromagnética de la magnetización y los conceptos y métodos de la física no lineal, respectivamente. En el cuarto capítulo se motivan y discuten de manera general los resultados de la presente investigación, mientras que el quinto capítulo presenta las conclusiones generales de la tesis. Los cinco capítulos siguientes (apéndices A, B, C, D y E) presentan los detalles de nuestros resultados, en formato de publicación. En el Capítulo A, se describen estados tipo patrón de la magnetización inducidos mediante torques por transferencia de espín. Estas texturas, periódicas en el espacio, son descritas mediante ecuaciones para las envolventes de los modos críticos. En el Capítulo B, se estudia la equivalencia entre el efecto de torque por transferencia de espín y los sistemas macroscópicos con inyección de energía modulada en el tiempo. En particular se demuestra que un ferromagneto forzado mediante torques por transferencia de espín exhibe los mismos estados que un medio ferromagnético rotado mecánicamente. Empleando esta equivalencia, se logra predecir texturas tales como patrones y estados localizados. En el Capítulo C, se analizan los efectos de una corriente de espín-polarizado alternante en la dinámica de la magnetización. Como resultado de este estudio, se demuestra analítica y numéricamente la existencia de una resonancia sub-armónica, y se comprueba numéricamente la emergencia de estados similares a ondas de Faraday y solitones. En el Capítulo D, se estudian sistemas macroscópicos en presencia de un forzamiento que oscila en el tiempo. Mediante un modelo fenomenológico para la envolvente de las oscilaciones, se predice y caracteriza un nuevo tipo de estado fuera del equilibrio, este es un pulso que se propaga sobre fondos periódicos. Estas soluciones se caracterizan por un incremento localizado y viajero de la amplitud del estado patrón que las soporta. Se determina que el mecanismo mediante el cual emergen los pulsos es una inestabilidad de Andronov-Hopf sub-crítica. Estos comportamientos son estudiados en un hilo magnético forzado por un campo magnético que oscila en el tiempo. En el Capítulo E, se estudian oscilaciones de patrones bidimensionales, inducidas mediante torques por transferencia de espín. Se comprueba numéricamente que los mecanismos que originan las oscilaciones son una bifurcación homoclina y una inestabilidad de Andronov-Hopf. Finalmente, el Apéndice F presenta dos actas de conferencia con resultados complementarios desarrollados en la tesis.

Los nanografenos poliradicalarios son unas moléculas fascinantes, y a lo largo de esta tesis trataremos con algunas de sus propiedades, como la aparición de estados localizados y magnetismo, además de cuáles son los distintos orígenes físicos por los cuales pueden desarrollar su carácter radicalario, gracias al cual estos sistemas han logrado permanecer ocultos hasta hace bien poco. Una vez hecho esto, presentamos una serie de reglas que permiten predecir los seis primeros estados multipartícula de un nanografeno diradicalario; únicamente haciendo falta conocer la simetría de la molécula. Luego, ya presentados los nanografenos más representativos, explicamos cómo realizar una descripción del magnetismo cuando el estado fundamental es un singlete y hay correlaciones antiferromagnéticas. Para esto es necesario utilizar correladores de espín, en lugar de teorías de campo medio que ofrecen soluciones con la simetría de espín rota. También explicamos cómo medir estos estados localizados; esto es, presentando una teoría para modelizar transporte secuencial y cotunelaje, la cual permite realizar cálculos de curvas de conductancia en donde la aplicación de un campo magnético permite descubrir qué tipo de correlaciones, ferromagnéticas o antiferromagnéticas, hay en el estado fundamental. Este tipo de curvas son las que miden los equipos experimentales con microscopio de efecto túnel, por lo que los resultados de este modelo pueden compararse con las curvas medidas por estos para caracterizar a los nanografenos. Finalmente, los tres últimos capítulos tratarán sobre nanografenos con propiedades muy especiales. Primero hablaremos sobre unas moléculas propuestas por nosotros que consisten en tres nanografenos enlazados con un estado de energía cero cada uno; este tipo de moléculas, en el estado fundamental, presentan una propiedad muy peculiar conocida como quiralidad de espín, por la cual presentan momento magnético orbital. Entonces hablaremos sobre las cadenas de triangulenos, sintetizadas recientemente, y que presentan estados localizados con fraccionalización de espín en los bordes. Por último presentamos dos sistemas novedosos: un cristal molecular hecho de ciclacenos, el cual es equivalente a una bicapa triangular antiferromagnética, pues su estado fundamental es la fase 120; y un cristal que consiste en una red hexagonal hecha de triangulenos, el cual presenta una estructura de bandas consistente en dos bandas planas con conos de Dirac entre medias.

En nuestra búsqueda de transistores cada vez más pequeños, con un mayor rendimiento computacional, surgen muchas preguntas acerca de cómo cambian las propiedades de los materiales con el tamaño y cómo pueden modelarse estas propiedades con mayor precisión. Los nanocontactos metálicos, especialmente aquéllos para los cuales las propiedades magnéticas son importantes, son de gran interés debido a sus posibles aplicaciones espintrónicas. Sin embargo, aún quedan importantes retos que superar desde el punto de vista del modelado teórico y computacional, en particular con respecto al acoplamiento de los grados de libertad de espín y red en nanocontactos ferromagnéticos en tecnologías espintrónicas emergentes. En esta tesis, se ha desarrollado un método extendido, y se ha aplicado por primera vez, para modelar la interacción entre el magnetismo y la estructura atómica en nanocontactos de metales de transición. La evolución dinámica de los contactos del modelo simula los resultados experimentales utilizados en la microscopía de barrido de efecto túnel y en las rupturas controladas mecánicamente, y se ha realizado en este trabajo mediante la dinámica molecular clásica y, por primera vez, mediante la dinámica del espín-red. La estructura electrónica de los contactos del modelo se calcula a través de la teoría de densidad funcional de onda plana y de orbital atómico local, a un nivel de sofisticación relativista escalar y vectorial. Los efectos del acoplamiento escalar-relativista y/o de espín-órbita en una serie de propiedades emergentes exhibidas por los nanocontactos de metales de transición, en determinaciones experimentales de conductancia, se han elucidado mediante cálculos de transporte cuántico de la función de Green de no equilibrio. El impacto de los efectos relativistas durante la formación de contacto en oro no magnético se ha cuantificado, y se ha encontrado que los efectos relativistas escalares aumentan la fuerza de atracción entre los átomos de oro mucho más que entre los átomos que no tienen efectos relativistas significativos, como por ejemplo los átomos de plata. Se ha esclarecido el papel del magnetismo no colineal en el transporte electrónico de nanocontactos de níquel y hierro, y se ha encontrado que los valores de conductancia más probables En nuestra búsqueda de transistores cada vez más pequeños, con un mayor rendimiento computacional, surgen muchas preguntas acerca de cómo cambian las propiedades de los materiales con el tamaño y cómo pueden modelarse estas propiedades con mayor precisión. Los nanocontactos metálicos, especialmente aquéllos para los cuales las propiedades magnéticas son importantes, son de gran interés debido a sus posibles aplicaciones espintrónicas. Sin embargo, aún quedan importantes retos que superar desde el punto de vista del modelado teórico y computacional, en particular con respecto al acoplamiento de los grados de libertad de espín y red en nanocontactos ferromagnéticos en tecnologías espintrónicas emergentes. En esta tesis, se ha desarrollado un método extendido, y se ha aplicado por primera vez, para modelar la interacción entre el magnetismo y la estructura atómica en nanocontactos de metales de transición. La evolución dinámica de los contactos del modelo simula los resultados experimentales utilizados en la microscopía de barrido de efecto túnel y en las rupturas controladas mecánicamente, y se ha realizado en este trabajo mediante la dinámica molecular clásica y, por primera vez, mediante la dinámica del espín-red. La estructura electrónica de los contactos del modelo se calcula a través de la teoría de densidad funcional de onda plana y de orbital atómico local, a un nivel de sofisticación relativista escalar y vectorial. Los efectos del acoplamiento escalar-relativista y/o de espín-órbita en una serie de propiedades emergentes exhibidas por los nanocontactos de metales de transición, en determinaciones experimentales de conductancia, se han elucidado mediante cálculos de transporte cuántico de la función de Green de no equilibrio. El impacto de los efectos relativistas durante la formación de contacto en oro no magnético se ha cuantificado, y se ha encontrado que los efectos relativistas escalares aumentan la fuerza de atracción entre los átomos de oro mucho más que entre los átomos que no tienen efectos relativistas significativos, como por ejemplo los átomos de plata. Se ha esclarecido el papel del magnetismo no colineal en el transporte electrónico de nanocontactos de níquel y hierro, y se ha encontrado que los valores de conductancia más probables publicados para estos metales, en el primer y último contacto, están determinados por factores geométricos, tales como son el grado de enlace covalente en el hierro y la preferencia de una cierta orientación cristalográfica en el níquel.