Magnetization dynamics at the nanoscale in nanoparticles and thin films: single-molecule magnets, magnetic vortices, and magnetic droplet solutions

Abstract

Research in magnetic materials leads to new devices and technologies. As the technology progresses, the devices become smaller and this miniaturization allows more storage capacity and lower costs in the production of new technologies. As new and smaller materials are fabricated, new phenomena appear and thus new physics is needed to describe them. Nanomaterials meet characteristics of both the microscopic quantum world and the macroscopic classic world. This intermediate length scale is known as mesoscale. Nanomaterials can be obtained in a variety of forms, being nanoparticles and magnetic ultra-thin films some of the most used. These magnetic systems are very different in their composition: nanoparticles are grown with chemical reactions, and thin films are grown on a substrate by nanofabrication techniques such as sputtering or electron-beam evaporation. The magnetization might not be uniform in a magnetic thin film or in a large magnetic nanoparticle leading to the formation of magnetic domains. Magnetic domains are static structures that appear due to competition of the different magnetic energies and can be used to store and transport information.

In all these systems, the magnetization dynamics gives rise to new behavior not visible in static measurements: quantum steps of the magnetization in molecular magnets; characteristic resonant frequencies that can be used to control the magnetic state of vortices; and formation of magnetic droplet solitons in thin films with perpendicular magnetic anisotropy.

Understanding the dynamics of nanomaterials and the evolution of the magnetization is a key process to develop faster devices and technologies. The early studies of molecular magnets showed quantum effects at the macroscopic scale, which have allowed a better understanding of spin. Magnetic vortices have been proposed for multiple applications, from magnetic storage of information to cancer cell destruction. The recently discovered magnetic droplet soliton is also a very good candidate for technological applications due to the low current and magnetic field needed for its generation, and it is now a system with a growing interest in spintronics.

In this dissertation we show some new dynamic phenomena. In the first part of the thesis we study systems that allow a macroscopic-spin model where spatial variations of magnetization are neglected. We develop a theory that sets the requirements for the observation of the rotational Doppler effect in a ferromagnetic system and we measure quantum effects in randomly oriented nanoparticles of a single-molecule magnet, which might be a good candidate for the observation of the Doppler effect. In the second part of the thesis, we study the magnetization dynamics in macroscopic systems that require a spatial dependence of the magnetic moment. We generate and control the dynamic states of the magnetic domains with oscillating fields, in the case of magnetic vortices, and with electrical currents, in the case of droplet solitons.

La investigación en materiales magnéticos ha dado lugar a nuevos dispositivos y tecnologías. A medida que la tecnología progresa, los dispositivos se hacen más pequeños. Esto permite una mayor capacidad de almacenamiento y reducir los costes de producción. A medida que se fabrican materiales más pequeños, surgen nuevos comportamientos. Los nanomateriales reúnen características tanto del mundo cuántico microscópico como del mundo clásico macroscópico. Esta escala de longitud se conoce como mesoescala. Existen variedad de forms de nanomateriales, entre las cuales nanopartículas y capas magnéticas ultrafinas. La composición de estos sistemas es diversa: las nanopartículas se obtienen a partir de reacciones químicas y las capas finas se crecen en un sustrato mediante técnicas de nanofabricación. La magnetización en las capas finas o en nanopartículas magnéticas grandes puede no ser uniforme, lo que lleva a la formación de dominios magnéticos.

En todos estos sistemas, la dinámica de la magnetización da lugar a un nuevo comportamiento que no es visible en las mediciones estáticas: fenómenos cuánticas de la magnetización en imanes moleculares; frecuencias de resonancia características que se pueden utilizar para controlar el estado magnético de los vórtices; y la formación de solitones “droplet” magnéticos en capas finas con anisotropía magnética perpendicular.

La comprensión de la dinámica de los nanomateriales y la evolución de la magnetización es un proceso clave para el desarrollo de dispositivos y tecnologías más rápidas. Los primeros estudios de imanes moleculares mostraron efectos cuánticos a escala macroscópica, que han permitido una mejor comprensión del espín. Los vórtices magnéticos se han propuesto para múltiples aplicaciones, desde el almacenamiento magnético de la información a la destrucción de células de cáncer. El solitón “droplet” magnético, descubierto recientemente, es también muy buen candidato para aplicaciones tecnológicas debido al bajo campo magnético y baja corriente necesarios para su generación.

En esta tesis se muestran algunos nuevos fenómenos dinámicos. En la primera parte de la tesis, estudiamos sistemas que permite un modelo de macroespín, en el que no hay variaciones espaciales de la magnetización. En la segunda parte estudiamos la dinámica en sistemas con dominios magnéticos, lo cual requiere una dependencia espacial de la magnetización.