Magíster en Ciencias, Mención Física / La spintrónica se perfila como una de las corrientes mas atractivas y prometedoras dentro de la materia condensada gracias a la diversidad de fenómenos presentes, como el efecto Hall de spin, la magneto-resistencia gigante. En la spintrónica el estudio de materiales antiferromagnéticos es interesante pues dentro de sus propiedades se encuentran su abundancia natural y la posibilidad de disminuir las escalas temporal y espacial de los fenómenos presentes en ellos. Un ejemplo es la utilización de estos materiales en memorias magnéticas, pues gracias a la ausencia de magnetización neta en un material antiferromagnético es posible almacenar información en regiones de menor tamaño debido a la nula interacción dipolar entre dominios magnéticos. Esta tesis esté compuesta de tres trabajos teóricos orientados al desarrollo de la spintrónica antiferromagnética. En la primera parte se presenta la teoría efectiva de un sistema antiferromagnético no colineal. Para esto consideramos un sistema anisotrópico y con interacción de intercambio entre spines vecinos. A través de un parámetro de orden perteneciente al grupo de rotaciones estudiamos la dinámica de las excitaciones de baja energía del sistema obteniendo como resultado una familia de solitones topológicos que están descritos por la ecuación de sine-Gordon. Finalmente comparamos nuestros resultados con simulaciones numéricas de un sistema de momentos magnéticos obteniendo resultados completamente concordantes. La segunda parte corresponde al estudio de un cristal magnónico antiferromagnético. A partir de una teoría fenomenológica estudiamos la dinámica del campo de magnetización bajo el efecto de interacción de intercambio, y anisotropía uniaxial. A través de una modulación periódica de la anisotropía y del campo magnético caracterizamos el espectro de ondas de spín y las estructura de bandas del sistema. En la tercera y última parte se presenta el estudio de la generación de corrientes de spin mediante deformaciones de una red antiferromagnética gracias a efectos cuánticos. Este fenómeno, conocido como efecto piezospintrónico, es estudiado en dos modelos de interés: grafeno antiferromagnético y zinc-blende antiferromagnético. Este efecto, en conjunto con el efecto Hall de spín inverso pueden ser útiles para la detección de corrientes de spín puras. / Spintronics is one of the most attractive and promising areas in condensed matter due to the diversity of phenomena present in it as the spin Hall e ect and the giant magnetoresistance. In spintronics the study of antiferromagnetic materials is interesting due to their natural abundance and the possibility of decreasing the temporal and spatial scale of the phenomena in which they are involved. One example of this is the use of antiferromagnetic materials in magnetic memories, where due to the absence of net magnetization it is possible to store information in smaller regions because of the null dipolar interaction between domains. This thesis is made of three theoretical works focused in di erent aspects of antiferromagnetic spintronics. In the rst chapter we present the e ective theory of a non collinear antiferromagnet. For this we consider an anisotropic system with exchange interaction among neighbor spins. By making use of an order parameter in the rotation group we study the dynamics of low energy excitations of the system obtaining as result a family of topological solitons which are described by the sine-Gordon equation. Finally we compare our results with numerical simulations of a system of magnetic moments obtaining totally concordant results. The second chapter corresponds to the study of an antiferromagnetic magnonic crystal. From a phenomenological theory we study the dynamics of the magnetization eld under the e ect of exchange interaction and uniaxial anisotropy. Through a periodic modulation of the anisotropy and of the magnetic eld we characterize the spin wave spectra and the band structure of the system. In the third and last chapter we show the study of generation of spin currents by deformation of an antiferromagnetic lattice thanks to quantum mechanical e ects. This phenomenon, known as piezospintronic e ect, is studied in two interesting models: antiferromagnetic graphene and antiferromagnetic zinc-blende. This e ect together with the inverse spin Hall e ect could be useful for the detection of pure spin currents. v / Este trabajo ha sido parcialmente financiado por Proyecto Fondecyt N° 1150072, Proyecto Basal N° FB0807- CEDENNA, y Anillo de Ciencia y Tecnología N° ACT 1117

Magíster en Ciencias, Mención Física / En este trabajo se presenta la teoría para estudiar los modos de oscilación de plasmones y magnones en un lm geométricamente modulado y se analiza la respuesta de la polarización y magnetización, respectivamente, al aplicar un campo externo paralelo al eje de simetría de la perturbación. La geometría en cuestión corresponde a un lm delgado ferromagnético para el análisis de los magnones y dieléctrico en el caso de los plasmones. El lm posee una modulación periódica de sus superficies en una cierta dirección. El estudio se realizó suponiendo que la escala relevante de la nano-estructura, en este caso el ancho del lm, es pequeña en comparación con la longitud de onda de la radiación incidente, esto corresponde al límite estático. En este caso se pueden despreciar los efectos de retardo, no existen efectos inductivos y los problemas eléctricos y magnéticos se desacoplan y por lo tanto se pueden estudiar las respuestas plasmonicas y magnonicas separadamente. Utilizando elementos de variable compleja se obtuvieron ecuaciones integrales para los potenciales electro-estáticos y magneto-estáticos en el borde de la muestra; luego, utilizando una base adecuada para la descripción del potencial en el borde las ecuaciones integrales se transforman en un problema matricial de valores y vectores propios. Los potenciales en el interior y exterior de la estructura y la respuesta a un campo externo se pueden obtener integrando adecuadamente el potencial en el borde. La ventaja al utilizar ecuaciones integrales es que se pueden resolver geometrias complejas. Se realizaron simulaciones numéricas para estudiar los modos normales en el caso plasmónico y magnónico. Los modos estudiados se propagan perpendicularmente a la perturbación de la superficie. La periodicidad de la geometría genera modos de Bloch análogos a los que se encuentran para electrones en redes cristalinas periódicas y se puede apreciar la aparición de bandas prohibidas. Para perturbaciones geométricas sinusoidales de pequeña amplitud se puede calcular analíticamente el ancho de las bandas permitiendo el diseño de dispositivos que cumplan ciertos requerimientos.

Desde la invención del transistor en la década del 40', los dispositivos electrónicos han basado su funcionamiento en la manipulación de la carga del electrón para almacenar o procesar información. Sin embargo, desde hace algunos años se viene realizando un intenso trabajo de investigación destinado a la implementación de una nueva generación de dispositivos, denominados de electrónica de espín o espintrónica, que además de aprovechar la carga del electrón puedan hacer uso de su grado de libertad de espín. Entre los materiales con potencial aplicación en dispositivos de espintrónica hay que mencionar: i) los materiales ferromagnéticos con una banda de conducción completamente polarizada en espín, tales como las manganitas, las dobles perovskitas, o la magnetita; y ii) los semiconductores magnéticos diluidos (DMS), obtenidos al dopar con cationes magnéticos como el Co o el Mn semiconductores standard como ZnO, SnO2, o TiO2. En esta Tesis se ha abordado el estudio de ambas familias de materiales. En primer lugar se estudiaron las propiedades estructurales, magnéticas, eléctricas y espectroscópicas de distintas series de dobles perovskitas de tipo A2FeMoO6 (A=Sr, Ca). Estos materiales presentan una temperatura de Curie por encima de temperatura ambiente (TC~400K) y poseen una banda de conducción polarizada en espín, por lo que han generado un enorme interés en los últimos años en la comunidad científica. En particular, nuestro estudio se centró en el desarrollo de métodos que permitan elevar la TC de estos materiales, ampliando de esta manera el rango de operabilidad en temperatura de posibles aplicaciones. Se han explorado exitosamente dos formas de elevar la TC de las dobles perovskitas: el dopaje electrónico y la introducción de interacciones antiferromagnéticas locales que refuerzan el ferromagnetismo de largo rango. Sin embargo, el precio a pagar por el aumento de TC es, en ambos casos, un aumento importante del desorden catiónico y una crítica reducción de la magnetorresistencia del material, por lo que sus propiedades funcionales se ven severamente afectadas. En paralelo con el trabajo descrito anteriormente, y según se recoge en la segunda parte de esta Tesis, se llevó a cabo un intenso esfuerzo en colaboración con la industria destinado a desarrollar un sensor magnético sin contactos basado en capas gruesas magnetorresistivas de doble perovskita. Finalmente, la tercera parte de esta memoria describe los estudios realizados en muestras policristalinas nanométricas del DMS TM:ZnO (TM:Co,Mn). En particular, se ha prestado especial atención a la determinación del carácter (intrínseco o extrínseco) del ferromagnetismo observado en algunas de las muestras. El análisis realizado permite otorgar a dicho ferromagnetismo un carácter intrínseco, donde la presencia de defectos puntuales tiene un rol fundamental en su estabilización. Adicionalmente, se propone que dicho ferromagnetismo está probablemente asociado a una capa superficial de algunos nanómetros de espesor. Se ha desarrollado una metodología que permite controlar el ferromagnetismo de estos materiales mediante tratamientos térmicos a bajas temperaturas en atmósferas adecuadas, de forma que somos capaces de "encender" y "apagar" el ferromagnetismo tanto de Mn:ZnO como de Co:ZnO. Los resultados obtenidos son un paso importante en la comprensión y control de la interacción magnética de estos complejos e interesantes sistemas. / Since the invention of the transistor in the late 40's, electronic devices have taken advantage of the electronic charge in order to process or store information. However, it has been recently proposed that, besides the electronic charge, the spin of the electrons could also be used for similar purposes. This field of research has been called spin electronics or spintronics, and is intended to lead to a new generation of devices with improved or even new functionalities with respect standard electronic devices. Among the materials with potential for spintronics we could mention: i) ferromagnetic materials displaying a fully polarized conduction band, such as manganites, double perovskites or magnetite; and ii) diluted magnetic semiconductors systems, consisting in standard semiconductors such as ZnO, TiO2 or SnO2 doped with small amounts of magnetic ions such as Mn or Co.This Thesis deals with the study of both families of materials. In the first place, we have focused on the study of the structural, magnetic, electrical and spectroscopic properties of several double perovskitas series of the type A2FeMoO6 (A=Sr, Ca), which display Curie temperatures (TC) above room temperature (~400K) and present a fully spin polarized conduction band. These two fact make them very promising for device applications, and justify the important attention that have generated in the scientific community during the past years. In particular, our study was focused on the development of different approaches to increase the TC of double perovskites, which would enlarge the temperature working range of potential applications. We have successfully explored two approaches to increase TC: electron doping and the introduction of local antiferromagnetic interactions in the Fe-Mo sub-lattice, which reinforce the overall ferromagnetism. However, we have found that the aforementioned TC rise is accompanied in all cases by a strong increase of the cationic disorder and a critical reduction of the magnetoresistance, being seriously affected in this way the functional properties of the material. We should remark that the performed studies allowed us to get a good insight into the fundamental physics of these materials. In addition, we have been also involved in a joint project with industrial partners aimed to develop a contact-less magnetic sensor based on thick double perovskite films. This work is described in the second part of this manuscript.The third part of the Thesis deals with the characterization of TM:ZnO (TM:Co, Mn) nanopowders. Special attention was paid to determine the character (intrinsic or extrinsic) of the ferromagnetism observed in some of the studied samples. We propose this ferromagnetism as being intrinsic, and we suggest that it is probably associated to a surface effect. Moreover, we have found that the ferromagnetism can be controlled (switched "on" and "off") by means of low temperature annealings under suitable atmospheres, constituting a phenomenology consistent with a ferromagnetic interaction mediated by point-defects. We believe that the obtained results could be of importance in order to get a better understanding and control of the ferromagnetism of these fascinating DMS's, paving the way for the achievement of materials with improved properties and suitable for practical spintronics devices.

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