Fabrication and characterization of magnetic devices: from space applications to spintronics
Authors:   , Rivelles García Alejandro 
Published: September 2024

In recent decades, scientific and technological advancements have surged, significantly influencing sectors like information technology, space exploration, and energy. Current research agendas emphasize developing technologies such as new sensors, advanced materials, and efficient energy solutions while minimizing environmental impact. The area of magnetism, which encompasses phenomena related to magnetic fields and their sources, can play a major role in developing new technologies for these agendas.

Hot topics such as space exploration require new magnetic characterization devices and techniques to study geological samples, which are essential to understand the properties of planetary crust. On the other hand, the electronics field is in constant search to find new low-consumption alternatives to the traditional transistor, where spintronics, the area of magnetism that deals with this task, has many proposals. Throughout this thesis we explore new magnetic devices and characterization techniques that can contribute to advance the field of magnetism a step further.

We start by presenting a new characterization device based on permanent magnets. By using permanent magnets to generate the magnetic field, this new design allows for a portable and low consuming device with applications for geological measurements in the field, where a rapid evaluation of magnetic properties of the samples helps in identifying sites of interest.

We continue in the topic of susceptometry and geological characterization by exploring the FORC characterization technique. This technique has been extensively used to study geological samples in the literature; however, understanding FORC measurements is not straightforward. Therefore, to explore further this technique, we fabricated nanomagnets with known geometry and studied how the variation of a single parameter affects the measurements. FORC analysis can also be applied to other areas of magnetism, such as spintronics, where we have also employed the technique to measure matrixes of nanowires.

Finally, continuing with the topic of spintronics and nanofabrication, we present a new device that combines both surface acoustic waves and spintronics. With this device we study the possibility to control the magnetization process of small magnetic elements by means of acoustic waves. We present a new mechanism that has not only direct applications in the field of spintronics, with potential to be used to drive new low-consumption devices, but also as the platform for new integrated sensors.

RESUMEN

En las últimas décadas, los avances científicos y tecnológicos han aumentado significativamente, influyendo notablemente en sectores como la tecnología de la información, la exploración espacial y la energía. Las agendas de investigación actuales enfatizan el desarrollo de tecnologías como nuevos sensores, materiales avanzados y soluciones energéticas eficientes, minimizando al mismo tiempo el impacto ambiental. El área del magnetismo, que abarca fenómenos relacionados con campos magnéticos y sus fuentes, puede desempeñar un papel importante en el desarrollo de nuevas tecnologías para estas agendas.

Temas de actualidad como la exploración espacial requieren nuevos dispositivos y técnicas de caracterización magnética para estudiar muestras geológicas, esenciales para entender las propiedades de la corteza planetaria. Por otro lado, el campo de la electrónica está en constante búsqueda de nuevas alternativas de bajo consumo al transistor tradicional, donde la espintrónica, el área del magnetismo que se ocupa de esta tarea, tiene muchas propuestas. A lo largo de esta tesis, exploramos nuevos dispositivos magnéticos y técnicas de caracterización con el objetivo de aportar nuestro pequeño granito de arena en el avance de estas áreas del magnetismo un paso más.

Comenzamos presentando un nuevo dispositivo de caracterización basado en imanes permanentes. Al usar imanes permanentes para generar el campo magnético, este nuevo diseño permite un dispositivo portátil y de bajo consumo con aplicaciones para mediciones geológicas en el campo, donde una rápida evaluación de las propiedades magnéticas de las muestras ayuda a identificar sitios de interés en prospecciones.

Continuamos en el tema de la susceptometría y la caracterización geológica explorando la técnica de caracterización FORC. Esta técnica se ha utilizado extensivamente para estudiar muestras geológicas en la literatura, sin embargo, entender las medidas FORC no siempre es sencillo. Con el objetivo de profundizar en esta técnica, fabricamos nanoimanes con geometría conocida y estudiamos cómo la variación de un solo parámetro afecta a las medidas FORC. El análisis FORC también se puede aplicar a otras áreas del magnetismo, como la espintrónica, donde también hemos hecho uso de la técnica para medir muestras con nanohilos.

Finalmente, continuando con el tema de la espintrónica y la nanofabricación, presentamos un nuevo dispositivo que combina las ondas acústicas superficiales con la espintrónica. Con este dispositivo estudiamos la posibilidad de controlar el proceso de imanación de pequeños elementos magnéticos mediante ondas acústicas. Presentamos un nuevo mecanismo que no solo tiene aplicaciones directas en el campo de la espintrónica, potencial para impulsar nuevos dispositivos de bajo consumo, sino también como plataforma para nuevos sensores integrados.