Engineering chiral interactions and current-induced switching in magnetic heterostructures for efficient spintronics

Aquesta tesi doctoral investiga les interaccions magnètiques quirals i el control de la magnetització induït per corrent en heteroestructures magnètiques formades per aïllants ferrimagnètics i multicapes metàl·liques, amb l'objectiu de desenvolupar tecnologies espintròniques més eficients. El treball se centra en el granat de ferro i terbi (TbIG), un aïllant ferrimagnètic amb baixa dissipació, anisotropia ajustable i compatibilitat amb el canvi per torque d'espín-òrbita (SOT). Per estudiar aquests fenòmens, es va dissenyar i construir des de zero un microscopi Kerr d'efecte magneto-òptic (MOKE) de camp ampli, capaç d'obtenir imatges en temps real dels dominis magnètics i de la dinàmica de les parets de domini (DW) sota camps magnètics i corrents elèctrics. El sistema incorpora control automatitzat, alta sensibilitat i compatibilitat criogènica, oferint una plataforma versàtil per a l'estudi de processos de magnetització en sistemes aïllants i metàl·lics. Amb aquest sistema, es va quantificar la interacció de Dzyaloshinskii-Moriya (DMI) en estructures GGG/TbIG/metall pesant (HM) mitjançant experiments de desanclatge de DW i anàlisi Hall harmònic. La DMI estabilitza textures magnètiques quirals com les parets de domini Néel i els skyrmions, que s'acoblen eficientment als SOT en dispositius com les memòries racetrack. Es va observar que la DMI depèn del gruix i la composició del metall, i es va identificar la interfície TbIG/HM com la principal font de DMI, gràcies a la correlació amb microscòpia electrònica d'alta resolució i mesures de transport d'espín. També es va demostrar que la DMI es pot ajustar mitjançant espaiadors no magnètics. La inserció d'una capa de coure (Cu) va modificar significativament la DMI a causa d'interaccions de llarg abast entre TbIG i la interfície Cu/HM. Càlculs de teoria funcional de la densitat (DFT) van confirmar aquests resultats: el Cu va reduir la DMI en un 70% en sistemes TbIG/Pt, però la va augmentar en un 40% en TbIG/W, revelant contribucions no locals més enllà de la interfície directa. La tesi també explora el canvi de magnetització induït per corrent en TbIG, mitjançant SOTs provinents de capes ultrafines de Pt i metalls lleugers com Ti i Mn. A més de les corrents d'espín convencionals, es van investigar contribucions orbitals, revelant senyals de l'efecte Hall orbital (OHE). Aquestes estructures van mostrar un augment del 90% en l'eficiència de commutació i una reducció significativa en el consum energètic, destacant el paper actiu dels metalls lleugers, sovint ignorats pel seu baix acoblament espín-òrbita. Es va estudiar també l'efectivitat dels mecanismes SOT en capes de Pt ultrafines. Es va demostrar una nova font de conversió espín-càrrega en capes de Pt de 0,6 nm, amb eficiències comparables a les de capes més gruixudes, gràcies a la morfologia granular i la dispersió millorada. Es van identificar tres règims: (i) Pt gruixut (>1,2 nm), dominat per l'efecte Hall d'espín (SHE); (ii) Pt intermedi (0,7-1,2 nm), on el SHE es debilita; i (iii) Pt ultrafí (~0,6 nm), on la dispersió granular restaura la conversió espín-càrrega. Finalment, es va estudiar el magnetisme quiral en multicapes metàl·liques, observant i controlant dominis espirals en trilayers Co/Pt/Co, impulsats per DMI intercapes (IL-DMI). Aquests dominis, que apareixen al voltant d'imperfeccions o estructures dissenyades, van ser analitzats sota camps aplicats, mostrant dependència amb el gruix de les capes, els camps externs i l'asimetria interfacial. Es va aconseguir controlar aquestes estructures mitjançant geometries magnètiques dissenyades, obrint possibilitats per a dispositius basats en textures d'espín reconfigurables. En conjunt, aquesta tesi aporta coneixements fonamentals i estratègies pràctiques per dissenyar dispositius espintrònics eficients, com memòries racetrack i arquitectures lògiques que aprofiten els graus de llibertat de l'espín i l'òrbita.