Resumo: Esta tese investiga o acoplamento entre ondas elásticas e ondas de spin em filmes finos ferromagnéticos e suas potenciais aplicações em spintrônica e magnônica. Nos últimos anos, tem havido um crescente interesse em utilizar ondas de spin para desenvolver dispositivos de processamento de informação de baixo gasto energético e alta velocidade. A interação magnetoelástica, que acopla a magnetização ás vibrações elásticas de um material magnético, tem sido extensivamente estudada nesse campo devido ao seu potencial uso para a manipulação de ondas de spin com eficiência energética.
Três simulações numéricas foram conduzidas nesta tese para investigar a interações magnetoelástica. A primeira simulações focou na propagação de uma onda acústica externa através de uma fita de Ni magnetoelástica sob diferentes níveis de acoplamento entre as ondas. Quando as ondas acústicas são altamente atenuadas, as ondas de spin são livres para
propagar, mas desaparecem após um comprimento de decaimento. Por outro lado, quando a atenuação das ondas acústicas ´e muito menor do que a das ondas magnéticas, ambas as ondas propagam-se juntas, mantendo a amplitude constante. Essa simulação também calcula os componentes AC e DC da voltagem do efeito Hall de spin inverso (ISHE) que podem ser medidos em uma linha de Pt adjacente.
Na segunda simulação, investigamos a conversão de magnons em fônons em um campo magnético variável no espaço. Para isso, resolvemos simultaneamente as equações de dinâmica de magnetização e elastodinâmica, que são acopladas através da interação magnetoelástica. Essa abordagem aproveita o fato de que as curvas de dispersão magnética e
elástica formam um gap entre si devido ao acoplamento magnetoelástico, separando-se em dois ramos. Iniciamos um pacote de onda na região quasi-magnética da curva de dispersão acoplada. Conforme esse pacote de onda se propaga através do campo estático variável no espaço, ele gradualmente varia seu comprimento de onda, mantendo sua frequência constante,
transitando da região quasi-magnética para a região magnetoelástica, seguida pela região quasi-elástica. Isso resulta na conversão de uma excitação magnética em uma excitação elástica, o que pode ser verificado pela conversão da energia magnética em elástica.
Na última simulação, investigamos os modos magnéticos e elásticos, bem como a relação de dispersão, de guias de onda que contêm uma parede de domínio de Néel. As paredes de domínio são canais naturais para a propagação de ondas de spin, pois o campo desmagnetizante devido à rotação da magnetização cria um poço de potencial que confina as ondas em
sua largura, formando modos magnéticos protegidos topologicamente. Nessa simulação, investigamos como os modos elásticos, na presença da interação magnetoelástica, influenciam a dinâmica da magnetização na presença da parede de Néel. Nossas descobertas indicam que nos pontos de cruzamento na relação de dispersão, dois comportamentos diferentes podem ser observados: a formação de um gap quando existe um acoplamento forte, ou um ponto sem gap quando o feedback magnetoelástico não é completamente satisfeito.
Analisamos que para a formação do gap, os modos elástico e magnético precisam ter uma sobreposição significativa, o que não acontece no modo confinado à parede de Néel, além de possuir a mesma simetria espacial.
Além das simulações numéricas, esta tese também inclui trabalho experimental que não foi totalmente concluído, e decidimos não incluí-lo no texto principal, mas é apresentado como um apêndice, como um guia para pesquisas futuras. Os experimentos envolvem a deposição de filmes finos piezoelétricos de ZnO por magnetron sputtering, a caracterização dos filmes usando microscopia eletrônica e experimentos de raios-X, e a fabricação de transdutores interdigitais sobre um substrato magnético de YIG usando litografia de feixe de elétrons e litografia a laser. Além disso, realizamos medidas de transporte elétrico nos transdutores interdigitais e experimentos de espalhamento de luz de Brillouin. O objetivo dos experimentos era obter experimentos de conversão magnon-fônon excitando ondas acústicas de superfície com os transdutores interdigitais, o que impulsionaria a dinâmica
de magnetização de YIG.
Em conclusão, esta tese investiga a dinâmica de ondas de spin e ondas elásticas em materiais magnetoelásticos por meio de simulações numéricas. Esperamos que os resultados contribuam para a compreensão do papel dessa interação na dinâmica das ondas de spin e possam ser aplicados no desenvolvimento de novos dispositivos de processamento de informações. |
