desenganche por corriente
5.2. El proceso de inyección de paredes de dominio Sistema experimental
Los resultados que centran este capítulo se refieren a nanocintas de Permalloy con estructura en nanómetros Sustrato/Ta(2)/Py(10)/Ta(2)/Pt(1), fabricadas mediante el método de lift-off sobre los sustratos concretos que se indicarán en cada caso. Poseen un defecto triangular de 100 nanómetros de profundidad y 200 nm de longitud. Están conectadas a través de dos nanocontactos adyacentes de estructura en nanómetros Cr(10)/Au(130), cuya anchura se indicará en cada caso. Es el mismo esquema que hemos contemplado previamente en los capítulos 3 y 4 (figura 4.1a).
Hemos realizado dos tipos de experimentos. El más complejo, que veremos en las primeras secciones de este capítulo, estudia el desenganche de la pared en una constricción asistido por la inyección en la nanocinta de corriente pulsada. En la última sección presentamos otro tipo de medida que involucra solamente corriente DC y analiza la influencia de esta sobre la propagación de una pared de dominio. En todo caso, los sistemas experimentales son muy similares en ambos casos.
En la figura 5.2 representamos la nanocinta con constricción conectada al canal 1 del generador de pulsos. La misma línea de corriente por la que entra este pulso se encuentra conectada al osciloscopio de alta frecuencia. La segunda línea de corriente tan sólo tiene un extremo conectado a la fuente de corriente DC, que suministra a la nanocinta una corriente en presencia de la que realizamos el experimento de propagación de la pared de dominio. Para evitar la contribución de la impedancia de salida de la fuente de corriente DC en la medida, hemos colocado una inductancia entre la fuente y el dispositivo. El nanovoltímetro conectado en paralelo a ambos extremos de la nanocinta permite monitorizar los cambios de resistencia asociados a la dinámica de la pared.
Capítulo 5. Influencia del calentamiento Joule en la dinámica de paredes de dominio sometidas a corriente
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Figura 5.2: Sistema experimental para el desenganche de paredes de dominio con inyección de pulsos de corriente.
El sistema está inmerso en el centro de un electroimán de ferrita de alta permeabilidad que permite ciclar el campo a una frecuencia de 1 Hz. El proceso de inyección de pared representado en la figura 5.3 comienza con la aplicación de corriente a este electroimán, para saturar longitudinalmente la nanocinta con un campo de unos 1000 Oe. Una vez alcanzada la
saturación, el sistema baja el campo magnético al valor del campo de inyección Hiny. El canal 1
(figura 5.2) del generador de pulsos envía un pulso de cierta altura a través de la línea de corriente de oro. El campo de Ampère asociado a este pulso de corriente invierte la imanación localmente en la región del dispositivo que se encuentra por debajo de la línea de corriente. Se generan así dos paredes de dominio que viajan en sentidos opuestos haciendo crecer el nuevo dominio que apunta en la dirección del campo externo de inyección. Una de las paredes viaja hacia la izquierda para acabar extinguiéndose en el extremo de la nanocinta y la otra pared viaja hacia la constricción en el centro de la nanocinta.
El canal 2 del generador de pulsos se conecta al otro extremo de la nanocinta, y se encarga de inyectar en el dispositivo el pulso VP,Dep encargado de asistir el proceso de
desenganche. Es importante distinguir que el pulso VP,Iny no inyecta corriente en el dispositivo,
simplemente circula a través de la línea de oro adyacente a la nanocinta ferromagnética. El pulso VP,Dep, al ser inyectado a través del pad cuyo extremo opuesto no está conectado, sí se ve obligado a circular por la nanocinta, asistiendo el proceso de desenganche.
El proceso de inyección de pared y desenganche por pulsos se realiza en presencia de una pequeña corriente continua (100 μA) circulando a través del dispositivo. La detección de la pared que se encuentra entre ambos nanocontactos se consigue mediante la monitorización de la variación de resistencia del dispositivo debida a la magnetoresistencia anisotrópica (AMR)
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introducida por la pared. La magnitud de esta corriente es tan baja que no tiene efectos sobre la dinámica de las paredes, y permite monitorizar las variaciones de resistencia del dispositivo asociadas a la presencia de la pared.
Figura 5.3: Representación de las direcciones de imanación en la nanocinta durante el proceso de inyección de pared.
El problema más importante para la consecución de este estudio experimental ha sido la reducción del ruido en la medida. En los primeros pulsos de la calibración experimental del capítulo 3 (figura 3.3), podemos ver que la presencia de ruido en las medidas era elevada. Hay que tener en cuenta que el ruido del sistema ha de mantenerse lo suficientemente bajo para permitir distinguir inequívocamente la detección de la variación de AMR asociada a la inyección de pared de dominio. Con una corriente de 100 μA, la variación asociada para 0,1 Ω es de 0,00001 V.
Una manera de verificar la viabilidad del experimento es a través de la realización de histogramas de medidas repetitivas de la resistencia eléctrica del dispositivo inmerso en el sistema experimental. Un histograma nos permite visualizar gráficamente cómo responde el sistema para una misma medida de resistencia eléctrica que se repite un cierto número de iteraciones. A partir de la distribución del número de cuentas obtenida para cada valor, podemos visualizar la precisión de nuestro sistema.
El ancho a media altura de un histograma nos permite comprobar si el sistema experimental está funcionando adecuadamente y si la dispersión en las medidas es suficientemente pequeña como para detectar con certeza la presencia y el tipo de pared. La figura 5.4 muestra un histograma de medida de la resistencia eléctrica de un dispositivo que se ha repetido 200 iteraciones. Este histograma está tomado con una corriente de 10 μA. Teniendo en cuenta que en nuestro experimento la detección de pared de dominio inyectada se realiza a 100 μA, este histograma nos asegura que, incluso con una corriente un orden de magnitud menor, la detección de la pared en nuestros experimentos está asegurada. Como se puede ver en la figura 5.4, la anchura a media altura del histograma es 0,04 Ω, con lo que el sistema permite la detección de paredes de resistencia 0,2 Ω sin ninguna dificultad.
Capítulo 5. Influencia del calentamiento Joule en la dinámica de paredes de dominio sometidas a corriente
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La detección de la pared a una corriente tan baja sólo se puede conseguir si el contacto con el dispositivo es perfectamente óhmico. Esta precisión se ha conseguido gracias al uso de un búfer de Cr en los nanocontactos de oro y a la implementación de un sistema de puntas RF (ver capítulo 2).
Figura 5.4: Histograma de precisión de medida de un dispositivo de 435,26 Ω (valor medio), con una corriente de 10 μA.
Otra limitación del sistema experimental es la máxima amplitud disponible para los pulsos suministrados por el canal inverso del generador de pulsos. Los canales directos permiten la introducción de hasta 4 V; el canal inverso sólo nos permite bajar hasta -2 V en el modo automático. En las últimas medidas de este capítulo, se han incorporado datos en mapas de probabilidad con amplitudes de pulso mayores a 2 V por el canal inverso. Estas medidas, sin embargo, se han realizado de forma manual (no programada).
La inyección de paredes con el método del campo local en nanocintas de Permalloy ha sido estudiada en mucha profundidad por el grupo [2] [4] [5] [14]. Según el diagrama de fases de Nakatani [15] (figura 1.4 del capítulo de Introducción), en nuestras nanocintas de 300 nm de ancho y 10 nm de espesor, la pared vórtice sería la pared energéticamente favorable. Sin embargo, el campo de Oersted fuera del plano generado por el pulso de corriente que inyecta la pared, transforma rápidamente esta pared en transversal.
La figura 5.5 muestra un nuevo histograma, que en este caso ha registrado las variaciones de resistencia asociadas al proceso de inyección de pared con el método del campo local que hemos descrito. Esta inyección se produjo con un pulso de 25 ns de 2,5 V y un campo
de inyección Hiny=-10 Oe. El proceso se repitió 200 iteraciones, permitiendo inferir el tipo de
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Figura 5.5: Histograma de inyección de pared transversal
La realización de este tipo de histogramas es una herramienta útil para asegurarnos la inyección de un mismo tipo de pared. En el histograma de la figura 5.5 se ven claramente dos picos a 0,19 y 0,24 Ω, confirmando la inyección de paredes transversales con quiralidades opuestas [1] [2]. Las paredes vórtice son más resistivas, con variaciones de resistencia asociada de entre 0,29-0,32 Ω [2] [14]. Estos estudios nos permiten concluir que en los experimentos de desenganche por corriente pulsada, estamos inyectando siempre el mismo tipo de pared (figura 5.6), una pared transversal, que viene asociada a una variación en torno a 0,19-0,24 Ω dependiendo de su quiralidad. En general, en los dispositivos de Permalloy con 300 nm de anchura y 10 nm de espesor, las paredes tipo vórtice se detectan solamente para campos magnéticos de inyección relativamente grandes (mayores de 10-15 Oe), donde la pared debería estar ya viajando en régimen precesional y cambiando su estructura durante su movimiento [14]. Este tipo de efectos se recogen también el experimento de propagación de pared en
presencia de corriente DC, donde sí varía el campo de inyección Hiny.