Thermal spin transport in maghemite-based thin film structures

Resumo

Desde su nacimiento marcado por el descubrimiento de la magnetorresistencia gigante (GMR) en 1988, el campo de la espintrónica ha evolucionado rápidamente, madurando y dando lugar a nuevas subdisciplinas. El objetivo final de la espintrónica es el desarrollo de un nuevo paradigma con potencial para superar las limitaciones impuestas en la electrónica convencional por la ley de Moore. Este paradigma se basa en el uso del grado de libertad de espín, junto con la carga eléctrica. Una tecnología espintrónica requiere, para ser funcional, de la capacidad para controlar tres operaciones fundamentales: generación, transporte y detección del momento angular de espín. De esta manera, la dinámica de espín es el foco de una intensa investigación con el objeto de aumentar la eficiencia en estas operaciones. En concreto, las corrientes de espín son un objeto fundamental en el campo de la espintrónica. Mas aún, las corrientes puras de espín, que no van acompañadas por una corriente de carga, permiten la propagación de espín sin pérdidas por disipación Joule. En este sentido, las corrientes puras de espín portadas por excitaciones magnéticas colectivas (magnones) brindan la posibilidad de una espintrónica basada en aislantes usando materiales eléctricamente aislantes con orden magnético de largo alcance (MOIs). Esta tesis se ha dedicado al estudio del transporte térmico de espín, es decir, a la interacción entre corrientes de espín y de calor, que constituye el área de investigación de la subdisciplina (dentro de la espintrónica) de la caloritrónica de espín o termoespintrónica. Se prevé que este campo contribuya significativamente al desarrollo de una nueva generación de dispositivos termoeléctricos altamente eficientes. Para ello, todavía es necesario profundizar más en la comprensión de los mecanismos fundamentales que gobiernan el transporte térmico de espín. A través del trabajo desarrollado en esta tesis, se ha estudiado de manera exhaustiva el efecto Seebeck de espín (SSE) en nanoestructuras de baja dimensionalidad basadas en maghemita (gamma-Fe2O3). El SSE es uno de los fenómenos de transporte más destacados en el campo de la caloritrónica de espín, puesto que permite la generación directa de una corriente de espín magnónica al aplicar un gradiente térmico en materiales magnéticos. El SSE se observa en bicapas FM/NM, donde FM es un material con orden magnético de largo alcance y NM es un metal paramagnético o diamagnético (habitualmente, Pt). En general, las estrategias que pretendan mejorar la eficiencia del SSE pueden dirigirse a tres niveles: (1) conversión de corriente de calor en corriente de espín en la capa FM; (2) al nivel interfacial, que comprende tanto la conversión de corriente de calor en corriente de espín a este nivel como la transferencia de espín desde la capa FM hacia la capa NM; y (3) la detección de la corriente de espín en la capa NM. Este último paso se realiza habitualmente mediante la conversión de corriente de espín en corriente de carga a través del efecto Hall de espín inverso facilitado por el acoplamiento espín-órbita (SOC). La primera parte de esta tesis se centra en el desarrollo de materiales de interés dentro de este tópico en forma de películas delgadas. En particular, se investiga la preparación de películas delgadas de alta calidad de maghemita de y óxido de iridio (IV) (IrO2). Además, se aborda también la fabricación de Y3Fe5O12 (YIG) mediante un método químico rápido y económico. La maghemita y el YIG constituyen ejemplos de MOIs que ya han sido aplicados exitosamente en otros campos. Por su parte, el IrO2 es un material NM con elevado SOC y elevada resistividad eléctrica, propiedades que lo convierten en un candidato prometedor para la detección de corriente de espín mediante ISHE. A continuación, se investiga extensamente el SSE en bicapas gamma-Fe2O3/Pt de espesor nanométrico. Como resultado, se consigue elaborar una descripción precisa del SSE, que tiene en cuenta las dos contribuciones a la corriente espín térmica: la originada en la intercara FM/NM, y la originada en el espesor de gamma -Fe2O3 debido a la acumulación de magnones inducida térmicamente. Para ello, se analiza la influencia de diferentes parámetros de transporte. Además, se implementa un segundo método de medida del SSE en condiciones de calentamiento estable. Este método alternativo se basa en el enfoque del calentamiento inducido por corriente, en el que el material NM cumple una función triple: calentamiento, termometría y conversión de corriente de espín en corriente de carga. Por último, se analiza la equivalencia experimental entre los dos métodos. Además, el método de inducción por corriente permite la detección simultánea de la recientemente descubierta magnetorresistencia Hall (SMR), que es asimismo caracterizada en las bicapas gamma-Fe2O3/Pt. En segundo lugar, se investiga la dinámica ultrarrápida del SSE de intercara por medio de la técnica óptica de Espectroscopía de Emisión de Terahercios (TES). En este caso, se emplean tres estructuras FM/NM usando para la capa FM materiales con diferente grado de conductividad eléctrica: maghemita (aislante), magnetita (mediometal) y hierro (metal). La comparación entre las corrientes de espín térmicas fotoinducidas en cada muestra permite la caracterización de la escala temporal en las que estas corrientes se originan y decaen. Basándose en sus diferentes dinámicas, el SSE y la versión dependiente de espín del efecto Seebeck termoeléctrico (efecto Seebeck dependiente de espín, SDSE) se pueden distinguir y separar, dentro de un mismo experimento. La corriente térmica de espín asociada al SDSE es portada por electrones, a diferencia de las corrientes de espín excitadas mediante SSE, que son portadas por magnones. Por lo tanto, el SDSE solo se da en materiales conductores. Por último, la tesis aborda el tercer nivel del SSE —la detección de la corriente de espín en la capa NM— usando IrO2 para la capa NM en bicapas gamma-Fe2O3/IrO2. Hasta la fecha, sólo se han reportado unos pocos trabajos experimentales que estudian la conversión de espín a carga en IrO2 policristalino o amorfo. Las muestras de IrO2 estudiadas en esta tesis, por el contrario, presentan una estructura cristalina fuertemente texturada en una dirección preferencial; en la presente tesis se investiga por tanto el papel de los diferentes mecanismos originados por el SOC y que contribuyen al ISHE en este tipo de muestras. Además, se analizan las llamativas diferencias encontradas en los procesos de conversión de corriente de espín en corriente de carga encontradas en las muestras texturadas con respecto a resultados previos en IrO2 policristalino o amorfo publicados en la literatura. Estas diferencias abren la puerta a la interesante posibilidad de controlar la funcionalidad de dispositivos basados en el efecto Hall de espín en materiales altamente resistivos.