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Static and dynamic X-ray resonant magnetic scattering studies on magnetic
domains
Soriano, J.M.
Publication date
2005
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Citation for published version (APA):
Soriano, J. M. (2005). Static and dynamic X-ray resonant magnetic scattering studies on
magnetic domains.
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RESUMEN N
Enn la era actual de la tecnologïa de la infomación, muchos dispositivos estann basados en laminas magnéticas delgadas. Como ejemplos mas conocidos, podemoss citar los discos duros de nuestro ordenador y sus cabezas de lectu-ra/escritura,, que resultan indispensables en el quehacer diario. Estos dispositi-voss aiojan o interaccionan con el protagonista de esta tesis: el dominio magnéti-co.. Estos dominios son areas pequenisimos de la lamina delgada que estan uni-formementee magnetizados en una dirección determinada. En pocas palabras, la imanaciónn en cada uno de estos dominios viene determinada por el tamano de loss espines atómicos y su grado de alineamiento. En la barrera entre dos de estos dominios,, los espines atómicos cambian de dirección gradualmente. Cuando la cabezaa lectora vuela rasante sobre el disco duro, detecta estos cambios en la di-recciónn de la imanación, que son interpretados como unos y ceros, los bits.
Actualmentee vivimos una carrera desenfrenada en la capacidad requeri-daa de almacenaje de información. Esto se traduce en una disminución acelerada dell tamano de los bits, cuya anchura actualmente es de unos 25 nanómetros, unass mil veces menor que el diametro de un cabello humano y unos cientos de vecess el tamano del atomo. De seguir al ritmo actual, la carrera desembocara en ell atomo, pero se impone una pregunta: £cual es el tamano mïnimo de un
do-miniominio magnético estable?.
Laa sola mención de la estabilidad, que solo tiene sentido en un determi-nadoo lapso de tiempo, nos conduce a la segunda cuestión: icual es la maxima
velocidadvelocidad a la que un dominiopuede revertir su dirección?. En los discos duros
mass recientes, este proceso lleva solamente unos pocos nanosegundos.
Estaa clara por tanto la importancia, tanto académica como tecnológica, dee los dominios magnéticos, y la necesidad de técnicas capaces de dar infor-maciónn local de los mismos y su comportamiento dinamico. A este repecto, las técnicass de microscopïa como las de Lorentz, Kerr o la microscopïa de fuer-zaa magnética parecen las mas adecuadas, pero presentan inconvenientes como unaa resolución espacial limitada, dificultad para aplicar campos magnéticos al-toss o tiempos de medición muy prolongados. Como alternativa, proponemos el usoo de rayos X en el estudio de la dinamica de la magnetización en dominios
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magnéticos.. Los rayos X poseen la ventaja de una resolución espacial maxima dee varios angstroms en casi cualquier condición de campo magnético y tempe-ratura.. Lamentablemente, la ausencia de lentes de rayos X blandos de calidad suficientee en el momento de la realización de esta tesis implica el uso de
scatte-ringring en vez de microscopia de rayos X.
Enn concreto, esta tesis explora las capacidades que la técmca de scattering resonantee magnético de rayos X (XRMS en sus siglas en inglés), ofrece al estu-dioo de dominios magnéticos. Esta técnica usa el alto contraste magneto-óptico dee las resonancias atómicas en el rango de los rayos X blandos. En el caso de loss elementos quimicos de tierras raras, los espectros de absorción isótropa y dee dicroïsmo circular y lineal de los umbrales M4 5 se pueden obtener a par-tirr de calculos de multipletes atómicos. La aplicación de las transformadas de Kramers-Kronigg permite obtener las constantes magneto-ópticas: los factores de
scatteringscattering magnético y los angulos de rotación especffica de Faraday y Voigt. Un
conocimentoo preciso de estos espectros es esencial a la hora de analizar los datos obtenidoss y de planificar futuros experimentos. Ademas, pueden ser utiles en el desarrolloo de un tipo nuevo de fuentes compactas de rayos X blandos basadas enn la radiación de Cherenkov.
AA continuación se presenta una descripción completa de la información quee se puede extraer de los patrones de scattering de dominios desordenados presentess en laminas delgadas de GdFe sometidas a campos magnéticos estati-cos.. Los patrones de scattering a lo largo del ciclo de histéresis permiten extraer elel periodo, el tamano de los dominios invertidos y la longitud de correlación medios.. Sin embargo, solo cuando la red de dominios esta inicialmente orde-nada,, la cantidad de informaciónn extraible es maxima y modelos analfticos permitenn calcular el periodo, que coincide con gran precision con los valores experimentales. .
Posteriormente,, la respuesta de estos sistemas a pulsos magnéticos muy intensoss se ha estudiado mediante las técnicas de scattering resonante magnéti-coo y efecto magneto-óptico Kerr, obteniendo la evolución temporal de la imana-ciónn y la intensidad de scattering de laminas delgadas de GdFe con resolución espaciall y temporal de 50 nm y 100 ps respectivamente. Sorprendentemente, ell comportamiento esperado de nucleación de dominios y desplazamientos de muroo no es universal, y el acoplo antiparalelo que existe bajo condiciones qua-siestaticass queda temporalmente cancelado durante y después del pulso,
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vocandoo la anulación de la tercera componente de la imanación de la subred dee Gd. Esta es la primera vez que se observa este comportamiento, que se ex-plicaa como el analogo dinamico de las transiciones de reorientación de espin controladass por el campo magnético observadas en aleaciones de metales de transiciónn con tierras raras.
Conn la intention de controlar el proceso de nucleación de dominios, usa-moss un haz de iones focalizado para escribir una red de puntos, modificando localmentee las propiedades magnéticas de laminas delgadas amorfas de GdTb-Fe.. En vez de afectar el campo de nucleación, la irradiation provocó cambios en ell tamano, posición y direction de los dominios revertidos después de saturar magnéticamentee la muestra. Estos cambios dependeran de la dosis de iones y dee la distancia entre puntos.
Ademas,, se usó la técnica de dicroïsmo circular magnético de rayos X pa-raa estudiar el mecanismo de reversion de dos sistemas de multicapas [Pt/Co]w /FeMn
conn exchange bias perpendicular al plano de la muestra y a temperatura am-biente.. En ambos casos se observó cuantitativamente la presentia de espines de Fee descompensados en la frontera entre las capas ferro- y antimagnética. Cuan-doo estos sistemas exhiben exchange bias, un pequena portion de dichos espines see encuentran fijos, causando un desplazamiento vertical del ciclo de histéresis dell hierro. Ésta es la primera vez que este fenómeno, conocido de sistemas con
exchangeexchange bias en el plano de la muestra y a baja temperatura, se observa en
sistemass con imanación fuera del plano.
Finalmente,, las bondades e inconvenientes de XRMS se resumen en el capituloo de conclusiones. Allï se explica claramente que el order de la red de dominioss magnéticos para maximizar la cantidad de información extraible bajo condicioness cuasi-estéticas. Sin embargo, la técnica de XRMS es especialmente ütill para estudios en dinamica donde los procesos de nucleación y desplaza-mientoo de muro no estan limitados por defectos estructurales en la muestra. Conn la aparición de las futuras fuentes de radiation de sincrotrón de cuarta generationn o laseres de rayos X, se espera poder combinar resoluciones tempo-raless de 100 femtosegundos con espaciales del order de un nanómetro. Bajo es-tass condiciones, se podra observar la aparición de interacciones espin-magnón durantee la nucleación de dominios magnéticos.
