Caracterización térmica de nanocintas ferromagnéticas en experimentos de transferencia de espín

La posibilidad de manipular la imanacion con corriente polarizada en espin en nanoestructuras ferromagneticas, unida a la propuesta para la memoria Racetrack ha motivado intensamente el estudio dinamico de paredes de dominio en nanocintas ferromagneticas. El funcionamiento de la memoria Racetrack se basa en el movimiento localizado de una secuencia de bits magneticos (dominios magneticos separados por paredes) en una pista de memoria, que es una nanocinta ferromagnetica. El movimiento de esta secuencia de bits magneticos debe obedecer unicamente a un flujo de corriente electrica, via transferencia de espin. En un experimento de desenganche inducido por corriente, un dispositivo tipico seria una nanocinta ferromagnetica de centenas de nanometros de ancho y unos pocos de espesor, con un estrechamiento en el medio, donde se ancla la pared de dominio. Al aplicar corriente electrica, la pared se mueve, se desengancha del defecto o transforma su estructura debido a la transferencia de espin. La corriente electrica puede ser DC; pero a menudo se aplica en pulsos del rango de nanosegundos, ya que el valor critico de densidad de corriente que se requiere para que se produzca transferencia de espin es tipicamente del orden de 108/cm2. El calentamiento Joule generado por una densidad de corriente tan elevada es un problema a tener en cuenta, incluso si esta se aplica en pulsos ultracortos. El aumento de temperatura inducido por el calentamiento Joule podria llevar al dispositivo a una temperatura cercana o superior a la temperatura de Curie (Tc), consecuencia fatal en el caso de una memoria Racetrack, pues se perderia la estructura de bits magneticos de la nanocinta, danando la informacion almacenada. Ademas, en la mayor parte de experimentos de desenganche de paredes de dominio con corriente esta genera gradientes termicos dentro de la nanoestructura, junto a los contactos metalicos y en torno a la constriccion; estos gradientes ya han sido asociados a efectos sobre el movimiento de las paredes. La correcta interpretacion de los resultados es una tarea compleja, pues los resultados pueden parecer, a primera vista, contradictorios entre si. Este trabajo aborda una caracterizacion rigurosa del comportamiento termico de las nanocintas ferromagneticas durante un experimento de transferencia de espin. En primer lugar, se ha desarrollado un modelo numerico del comportamiento termico de los dispositivos, que ha sido calibrado con la respuesta experimental de nanocintas reales. Este modelo explica la controversia entre trabajos previos que estiman la temperatura media en nanocintas magneticas cuando una corriente electrica fluye a traves del dispositivo, usando corriente DC, pulsos largos de corriente o pulsos muy cortos de nanosegundos. Senala ademas directrices nuevas en cuanto al procesado de muestras experimentales (geometria, sustrato) y en cuanto al sistema experimental (corriente DC, corriente pulsada, duracion de pulso) a utilizar en experimentos de transferencia de espin. En la actualidad existen trabajos recientes de simulacion micromagnetica combinada con transporte de calor que han reproducido experimentos previos en los que se descubre que la contribucion de la transferencia de espin en comparacion con la contribucion termica era apenas relevante. En consecuencia, la adecuada comprension e identificacion experimental de la transferencia de espin sigue constituyendo un desafio experimental a tener en cuenta. Los resultados obtenidos en las simulaciones numericas permitiran la implementacion de experimentos de desenganche de pared donde los eventos de origen termico y los de transferencia de espin se evidencien y se distingan. Los resultados abren un camino muy interesante para la caracterizacion de este fenomeno. ----------ABSTRACT---------- The possibility of controlling the local magnetization with spin-polarized current in ferromagnetic nanostructures along with the proposal of the Racetrack memory has intensively encouraged the dynamic study of domain-walls in ferromagnetic nanostripes. Racetrack memory relies on the localized movement of a sequence of magnetic bits (defined by magnetic domains and domain-walls) in a memory track, which consists on a ferromagnetic nanostripe. The synchronized movement of this sequence must only follow the injection of electric current via spin transfer. In a current-induced depinning experiment, a typical dispositive consists on a ferromagnetic nanostripe of hundreds of nanometers wide and a few nanometers thick, with a constriction in the middle, able to trap a propagating domain-wall. As the electrical current is applied, a domain-wall may move, depin or transform its inner structure because of the spin transfer. Applied current can be both DC or RF; it is often injected in pulsed regime since the critical current density values which show spin transfer are typically high, around 108 A/cm2. Joule heating generated from such a high current density is a serious drawback for the consecution of this experiments, even if it is delivered in ultrashort pulses. The rise of temperature induced by Joule heating could lead the dispositive to a temperature value close enough or above to Curies point, which would lead to data corruption in a Racetrack dispositive, since the track would lose its magnetic bits structure. Besides, in most depinning experiments, electric current generates thermal gradients within the nanostructure, close to the metallic contact pads and in the constriction area; this gradients have already been associated to dynamic effects on domain-walls. A strict interpretation of results becomes complex, because results can easily seem to be contradictory. This work offers a rigorous thermal characterization of the ferromagnetic nanostripes in a spin transfer experiment. First of all, a numerical model has been developed which fits the experimental response of real nanostripes. This model gives an explanation to the controversy between previous works which estimate the average temperature of the nanostripe when an electric current flows through the dispositive, using DC current or long or short current pulses. It points out new directions regarding the fabrication of experimental samples (geometry, use of new substrates) and the experimental set-up (DC or RF regime, pulse length) when approaching spin transfer experiments. Recent micromagnetic simulations coupled to heat transport models have reproduced previous depinning experiments revealing a marginal influence of the spin transfer in comparison with thermal effects. Consequently, a proper comprehension and experimental identification of the spin transfer keeps being an unsolved experimental problem. Armed with the data provided by the numerical model, domain-wall depinning experiments will be implemented, identifying both thermal and magnetic effects. The results shown in this work offer new and exciting perspectives for the spin transfer characterization.