Phase Transitions in Nanoscale Designed Magnetic Thin Films

Resumen

El fenómeno de las transiciones de fase termodinámicas (TPT, por sus siglas en inglés) en la materia, asociadas con un cambio abrupto en cierta cantidad física, son de una importancia fundamental, tanto en su comprensión teórica como en aplicaciones tecnológicas. Algunos ejemplos significativos de aplicaciones de las TPT incluyen la transición de fase en materiales superconductores, usados, por ejemplo, en la reducción del consumo energético en equipos de resonancia magnética, o los materiales de cambio de fase, empleados en la refrigeración de ordenadores o en almacenamiento térmico de energía.Los materiales ferromagnéticos (FM) son también un tipo de sistemas en los que pueden observarse TPTs. En estos materiales, un tipo de TPT está determinado por una temperatura especifica, llamada temperatura de Curie TC, por debajo de la cual el sistema exhibe una fase FM ordenada. A temperaturas inferiores a TC, el material presenta dos estados equivalentes en ausencia de campo magnético externo, también separados por otro tipo de TPT. Dichas TPT en materiales FM y sus estados magnéticos asociados son relevantes en aplicaciones tecnológicas ampliamente extendidas, como la refrigeración o las memorias magnéticas.En general, las tecnologías basadas en películas delgadas FM han considerado históricamente interfases abruptas entre capas principalmente. Dichos cambios abruptos inducen y/o amplifican efectos necesarios, por ejemplo, para la lectura y escritura de sus estados magnéticos. Sin embargo, cambiosgraduales en las propiedades físicas de las películas delgadas pueden mejorar su rendimiento, en determinadas circunstancias.En este contexto, es bien sabido que cambios graduales en la interacción de intercambio en películas delgadas FM influyen en el fenómeno de la TPT. En estas películas, pueden coexistir diferentes fases quasi-paramagneticas (PM)/FM. No solo eso, dicha separación de fases puede ser controlada con la temperatura, mediante el diseño del perfil de energía de intercambio en la película. Así, películas delgadas FM con intercambio-gradual, son una herramienta novedosa con potenciales aplicaciones tecnológicas mediante el diseño de dichos perfiles.Paralelamente, el fenómeno de la TPT está asociado con el equilibrio termodinámico, en el que todas las cantidades permanecen constantes en el tiempo. Sin embargo, las transiciones de fase pueden ocurrir en sistemas que se encuentran lejos del equilibrio termodinámico en presencia de una fuerza dependiente del tiempo. De hecho, las llamadas transiciones dinámicas de fase (DPT), son bien conocidas en materiales FM. Sin embargo, su verificación experimental sólo ha sido posible recientemente, mediante experimentos diseñados exprofeso. Comprender las DPTs es crucial en la física del no-equilibrio termodinámico, debido a sus similitudes con respecto a las TPT. Dichas similitudes permitirían usar metodologías originalmente concebidas para las TPT en sistemas dinámicos.En esta tesis, se llevan a cabo una serie de investigaciones relacionadas con la fenomenología de las transiciones de fase en películas delgadas FM diseñadas en la nanoescala. Más concretamente, se investigan aspectos relevantes de los dos fenómenos previamente mencionados, es decir, las transiciones de fase en películas delgadas con interacción de intercambio graduada, y transiciones dinámicas de fase en películas delgadas FM.En el Capítulo 1, se explican los aspectos teóricos principales del ferromagnetismo y se detallan los conceptos clave de las TPT en materiales FM. En el Capítulo 2, se detallan las técnicas experimentales clave para el desarrollo de este trabajo.Los Capítulos 3-6 presentan los resultados principales de esta tesis. Los Capítulos 3 y 4 explican la fabricación y la caracterización estructural y magnética de películas delgadas con interacción de intercambio gradual. El Capítulo 3 explora el comportamiento termodinámico de cierto perfil de intercambio en el que se forma una única región FM al reducir la temperatura. En este trabajo, se muestra cómo dicho tipo de películas delgadas no sigue la universalidad y, por lo tanto, permiten modificar los exponentes críticos de la TPT; un resultado de otro modo imposible de controlar.En el Capítulo 4, se presenta e investiga un perfil de intercambio más complejo. Dicho perfil permite crear en la misma película regiones FM separadas a diferentes profundidades, las cuales pueden interactuar entre sí mediante efectos de proximidad. Así, se observa cómo dicho diseño permite crear campos autoinducidos dependientes de la temperatura sobre extensos rangos de temperatura. Los resultados experimentales presentados en este capítulo demuestran que dichos perfiles pueden usarse para obtener campos coercitivos independientes de la temperatura, empleando materiales convencionales y convirtiéndose así en diseños particularmente relevantes para obtener puntos de operación estables en dispositivos.Los Capítulos 5 y 6 explican los resultados en esta tesis relacionados con las DPT en películas delgadas FM. En el Capítulo 5, se presenta el primer estudio experimental del comportamiento de escala cerca del punto crítico de la DPT. Este es un resultado significativo puesto que los exponentes críticos dinámicos corresponden a la universalidad de la TPT, pero ningún estudio había sido capaz de verificarlos experimentalmente hasta la fecha. Para este proyecto, el comportamiento dinámico de la magnetización ha sido estudiado en películas delgadas FM mediante magnetometría magnetoóptica de efecto Kerr transversal. Los resultados obtenidos son compatibles con el comportamiento del modelo de Ising 2D. Sorprendentemente, los exponentes críticos de la TPT son acordes al modelo de Ising 3D. Dichas observaciones apuntan hacia diferencias fundamentales en el cambio dimensional entre la TPT y la DPT, un aspecto novedoso no investigado en la literatura hasta ahora.En el Capítulo 6, se investiga la existencia de un campo conjugado generalizado para el parámetro de orden de la DPT, teórica y experimentalmente. Para ello, se consideran secuencias de campo magnético sin antisimetría de onda media, cerca del punto crítico de la DPT. Estos resultados, demuestran que se puede definir un campo conjugado generalizado que permita la renormalización de todo el espacio de fases. Además, dentro de la aproximación del campo medio, se preservan los exponentes críticos dinámicos en el espacio renormalizado, incluso si las señales de campo magnético externo no poseen antisimetría de onda media.En el Capítulo 7, se extraen varias conclusiones y perspectivas de este proyecto.