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Previous issue date: 2014-07-28 / Conselho Nacional de Desenvolvimento Cient?fico e Tecnol?gico / The effect of confinement on the magnetic structure of vortices of dipolar coupled
ferromagnetic nanoelements is an issue of current interest, not only for academic reasons, but
also for the potential impact in a number of promising applications. Most applications, such
as nano-oscillators for wireless data transmission, benefit from the possibility of tailoring the
vortex core magnetic pattern. We report a theoretical study of vortex nucleation in pairs of coaxial
iron and Permalloy cylinders, with diameters ranging from 21nm to 150nm, and 12nm and
21nm thicknesses, separated by a non-magnetic layer. 12nm thick iron and Permalloy isolated
(single) cylinders do not hold a vortex, and 21nm isolated cylinders hold a vortex. Our results
indicate that one may tailor the magnetic structure of the vortices, and the relative chirality, by
selecting the thickness of the non-magnetic spacer and the values of the cylinders diameters and
thicknesses. Also, the dipolar interaction may induce vortex formation in pairs of 12nm thick
nanocylinders and inhibit the formation of vortices in pairs of 21nm thick nanocylinders. These
new phases are formed according to the value of the distance between the cylinderes. Furthermore,
we show that the preparation route may control relative chirality and polarity of the vortex
pair. For instance: by saturating a pair of Fe 81nm diameter, 21nm thickness cylinders, along
the crystalline anisotropy direction, a pair of 36nm core diameter vortices, with same chirality
and polarity is prepared. By saturating along the perpendicular direction, one prepares a 30nm
diameter core vortex pair, with opposite chirality and opposite polarity.
We also present a theoretical discussion of the impact of vortices on the thermal hysteresis
of a pair of interface biased elliptical iron nanoelements, separated by an ultrathin nonmagnetic
insulating layer. We have found that iron nanoelements exchange coupled to a noncompensated
NiO substrate, display thermal hysteresis at room temperature, well below the iron
Curie temperature. The thermal hysteresis consists in different sequences of magnetic states in
the heating and cooling branches of a thermal loop, and originates in the thermal reduction of
the interface field, and on the rearrangements of the magnetic structure at high temperatures,
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produce by the strong dipolar coupling. The width of the thermal hysteresis varies from 500
K to 100 K for lateral dimensions of 125 nm x 65 nm and 145 nm x 65 nm. We focus on the
thermal effects on two particular states: the antiparallel state, which has, at low temperatures,
the interface biased nanoelement with the magnetization aligned with the interface field and the
second nanoelement aligned opposite to the interface field; and in the parallel state, which has
both nanoelements with the magnetization aligned with the interface field at low temperatures.
We show that the dipolar interaction leads to enhanced thermal stability of the antiparallel
state, and reduces the thermal stability of the parallel state. These states are the key phases in the
application of pairs of ferromagnetic nanoelements, separated by a thin insulating layer, for tunneling
magnetic memory cells. We have found that for a pair of 125nm x 65nm nanoelements,
separated by 1.1nm, and low temperature interface field strength of 5.88kOe, the low temperature
state (T = 100K) consists of a pair of nearly parallel buckle-states. This low temperature
phase is kept with minor changes up to T= 249 K when the magnetization is reduced to 50% of
the low temperature value due to nucleation of a vortex centered around the middle of the free
surface nanoelement. By further increasing the temperature, there is another small change in
the magnetization due to vortex motion. Apart from minor changes in the vortex position, the
high temperature vortex state remains stable, in the cooling branch, down to low temperatures.
We note that wide loop thermal hysteresis may pose limits on the design of tunneling magnetic
memory cells / Os efeitos de confinamento e o forte acoplamento dipolar na estrutura de v?rtices de
nano-elementos ferromagn?ticos ? um tema de interesse atual, n?o apenas pelo valor puramente
acad?mico, mas tamb?m pelo impacto em grande n?mero de dispositivos da ?rea de spintr?nica.
Muitos dispositivos, como nano-osciladores para transmiss?o de dados sem fio, podem
tirar grande proveito da possibilidade de controlar o padr?o magn?tico do n?cleo do v?rtice
magn?tico. Relatamos um estudo te?rico da nuclea??o de v?rtices em um par de cilindros coaxiais
de ferro e de Permalloy, com di?metros desde 21nm at? 150nm e espessuras de 12nm
e de 21nm, separados por uma fina camada n?o-magn?tica. Cilindros isolados de ferro e Permalloy
com espessura de 12nm n?o permitem a forma??o de v?rtices, enquanto que cilindros
de espessura de 21nm possuem v?rtices quando isolados em reman?ncia. Nossos resultados
indicam que ? poss?vel controlar a estrutura magn?tica dos v?rtices, bem como a chiralidade
e polaridade relativa dos dois v?rtices, pela escolha apropriada dos valores dos di?metros e da
separa??o dos dois cilindros ferromagn?ticos. Dependendo do valor da separa??o entre os cilindros,
a intera??o dipolar pode induzir a forma??o de v?rtices em pares de cilindros de espessura
de 12nm e inibir a forma??o de v?rtices em pares de cilindros de 21nm de espessura. Al?m
disso, mostramos que a rota de prepara??o do estado magn?tico em campo nulo, pode ser usada
para determinar a chiralidade e polaridade relativa dos dois v?rtices. Por exemplo: partindo da
satura??o da magnetiza??o de um par de cilindros de ferro com di?metro de 81nm e espessura
de 21nm, na dire??o do eixo f?cil da anisotropia uniaxial do ferro, resulta um par de v?rtices
com n?cleo de 36nm, mesma chiralidade e mesma polaridade. Partindo do estado saturado em
uma dire??o no plano e perpendicular ao eixo de anisotropia uniaxial, resulta um par de v?rtices
com n?cleo de 30nm de di?metro, com chiralidade e polaridade opostas.
Relatamos tamb?m um estudo te?rico do impacto de v?rtices magn?ticos na histerese
t?rmica de um par de nanoelementos el?pticos de ferro, de 10nm de espessura, separados por
um espa?ador n?o-magn?tico e acoplados com um substrato antiferromagn?tico por energia de
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troca. Nossos resultados indicam que h? histerese t?rmica em temperatura ambiente (muito menor
do que a temperatura de Curie do ferro), se o substrato for uma superf?cie n?o compensada
de NiO. A histerese t?rmica consiste na diferen?a da sequ?ncia de estados magn?ticos nos ramos
de aquecimento e resfriamento de um ciclo t?rmico, e se origina na redu??o do valor do campo
de interface em altas temperaturas, e na reestrutura??o das fases magn?ticas impostas pela intera??o
dipolar forte entre os dois nanoelementos de ferro. A largura da histerese t?rmica varia
entre 500K ? 100K para dimens?es laterais de 125nm x 65nm e 145nm x 65nm. Focamos nos
ciclos t?rmicos de dois estados especiais: o estado antiparalelo, com o nanoelmento em contato
com o substrato alinhado na dire??o do campo de interface e o outro nanoelemento alinhado em
dire??o oposta; e o estado paralelo em que os dois nanoelementos est?o alinhados com o campo
de interface em temperaturas baixas. Esses s?o os dois estados magn?ticos b?sicos de c?lulas
de mem?rias magn?ticas de tunelamento. Mostramos que a intera??o dipolar confere estabilidade
t?rmica ao estado antiparalelo e reduz a estabilidade t?rmica do estado paralelo. Al?m
disso, nossos resultados indicam que um par de cilindros com dimens?es de 125nm x 65nm,
separados por 1.1nm, com campo de interface de 5.88kOe em temperatura de 100K, est? no estado
paralelo. Essa fase se mant?m at? 249K, quando h? uma redu??o de 50% da magnetiza??o
devido ? nuclea??o de um v?rtice no nanoelemento com superf?cie livre. Pequenas varia??es
da magnetiza??o, devidas ao movimento do v?rtice, s?o encontradas no ramo de aquecimento,
at? 600K. O estado encontrado em 600K se mant?m ao longo do ramo de resfriamento, com
pequenas mudan?as na posi??o do v?rtice. A exist?ncia de histerese t?rmica pode ser um s?rio
limite de viabilidade de mem?rias magn?ticas de tunelamento
| Identifer | oai:union.ndltd.org:IBICT/oai:repositorio.ufrn.br:123456789/16635 |
| Date | 28 July 2014 |
| Creators | Silva, Maria das Gra?as Dias da |
| Contributors | CPF:33014419704, http://buscatextual.cnpq.br/buscatextual/visualizacv.do?id=K4787041Z8, Ara?jo, Jos? Humberto de, CPF:24150720444, http://buscatextual.cnpq.br/buscatextual/visualizacv.do?id=K4785558U2, Medeiros, Suzana N?brega de, CPF:78609801420, http://lattes.cnpq.br/2148858591663240, Sales, F?bio Henrique Silva, CPF:35139366304, http://lattes.cnpq.br/7901813667971809, Mello, Vamberto Dias de, CPF:67140475415, http://lattes.cnpq.br/4851197994170100, Carri?o, Artur da Silva |
| Publisher | Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Programa de P?s-Gradua??o em F?sica, UFRN, BR, F?sica da Mat?ria Condensada; Astrof?sica e Cosmologia; F?sica da Ionosfera |
| Source Sets | IBICT Brazilian ETDs |
| Language | Portuguese |
| Detected Language | English |
| Type | info:eu-repo/semantics/publishedVersion, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis |
| Format | application/pdf |
| Source | reponame:Repositório Institucional da UFRN, instname:Universidade Federal do Rio Grande do Norte, instacron:UFRN |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
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