Análisis a escala atómica de interfases magnéticas con aplicaciones en espintrónica

Atomic scale analysis of magnetic interfases with spintronics applications

Rocio González Díaz (2023, [Tesis de maestría])

La espintrónica es un área de la nanociencia que tiene por cometido el estudio y manipulación del espín de los electrones para el desarrollo y mejoramiento de dispositivos electrónicos. De manera particular, se ha orientado a la búsqueda de materiales para la fabricación de memorias magnéticas de acceso aleatorio (MRAM), diseñadas a partir de uniones túnel magnéticas (MTJ). Dichas uniones son heteroestructuras construidas a partir de un material aislante en cuya capa superior e inferior se dispone un compuesto ferromagnético. Una de las características de estos dispositivos es que presentan una anisotropía magnética perpendicular (PMA) y un efecto de torque por transferencia de espín (STT). Recientemente, un estudio experimental señala que la heteroestructura B2-CoAl/L10-MnAl es un candidato idóneo para la fabricación de MRAM, pues presenta PMA y STT. Sin embargo, en el trabajo experimental no se reporta un análisis de la estabilidad termodinámica de la heteroestructura. Dicho lo anterior, en este trabajo se hizo un estudio de la estabilidad termodinámica y estructural de B2-CoAl/L10-MnAl usando la teoría del funcional de la densidad (DFT). Se propusieron diferentes modelos de interfaz CoAl/MnAl y se determinó a través de un análisis energético cuál es la interfaz más estable. Los resultados obtenidos indican que la interfaz más estable sucede entre la última capa de Al del CoAl y la primera capa de Mn del MnAl. Además, se comprobó un efecto PMA en la heteroestructura B2-CoAl/L10-MnAl y se determinó que este comportamiento se origina esencialmente debido a la naturaleza ferromagnética de MnAl, pues CoAl no presenta características ferromagnéticas.

Spintronics is nanoscience area whose aim is the study and manipulation of electrons spin to development and improvement of electronic devices. In a particular way, the spintronics has focused to search of new materials to fabrication of magnetic random-access memory (MRAM), which are designed from devices call magnetic tunnel junctions (MTJ). This devices are heterostructures built from an insulating material with a ferromagnetic compound on top and bottom layers and characterized by the perpendicular magnetic anisotropy and spin-transfer torque (STT) effects prensent on it. Recently, an experimental study indicates the B2-CoAl/L10-MnAl heterostructure is a suitable candidate for the fabrication of MRAM based on MTJ devices. Nevertheless, the thermodynamic stability of the heteroestructure is not reported in the experimental work. Therefore, in this work a study of the thermodynamic and structural stability of B2-CoAl/L10-MnAl was performed using density functional theory (DFT). Different CoAl/MnAl interface models were proposed and the most stable interface was determined by an energy analysis. The results obtained, indicate that the most stable interface occurs between the last Al layer of CoAl and the first Mn layer of MnAl. In addition, a PMA effect in the B2-CoAl/L10-MnAl heterostructure was demonstrated and it was determined that this behaviour is essentially due to the ferromagnetic nature of MnAl, since CoAl does not present ferromagnetic characteristics.

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Dispersión horizontal y vertical en un modelo idealizado de la circulación inducida por el viento

Horizontal and vertical dispersion in an idealized wind-driven circulation model

José Rodrigo Barrientos Valencia (2023, [Tesis de maestría])

El estudio de la dispersión de materia flotante en el océano es fundamental para abordar problemas contemporáneos, como la contaminación por desechos y la distribución de nutrientes. Sin embargo, la distribución superficial horizontal no captura completamente la complejidad del problema, ya que muchos contaminantes, incluidos los plásticos, tienden a hundirse debido a la desintegración o a la adhesión de materiales que alteran su densidad. Este estudio se centra en la dispersión horizontal y vertical de trazadores pasivos en un océano turbulento impulsado por el viento. Se utilizan partículas sintéticas que son advectadas por un modelo Lagrangiano resolviendo la trayectoria de cada partícula mediante un método Runge-Kutta de 4 ◦ orden. Se exploran cuatro mecanismos de dispersión: (i) corrientes geostróficas a gran escala según el modelo clásico de Stommel, (ii) velocidad de Ekman, (iii) difusividad turbulenta debida a movimientos de submesoescala (simulados con una caminata aleatoria), y (iv) efectos inerciales relacionados con el tamaño y la flotabilidad del trazador. El estudio se divide en dos partes: primero, se examina la dispersión horizontal en superficie, y después se aborda el caso tridimensional mediante la inmersión de trazadores por bombeo de Ekman. Los principales resultados son: 1) con la deriva superficial de Ekman, las partículas convergen hacia una región alrededor del centro del giro de Stommel; sin embargo, dicha convergencia disminuye a medida que aumentan los efectos de la turbulencia; 2) considerando los efectos inerciales, aumentar la flotabilidad o el tamaño de las partículas provoca una convergencia mayor que la producida por la deriva de Ekman; 3) al incluir la velocidad vertical negativa, una baja difusividad turbulenta permite que los trazadores alcancen mayores profundidades porque permanecen más tiempo en regiones de mayor hundimiento.

The study of floating material dispersion in the ocean is crucial for addressing contemporary issues such as waste pollution and nutrient distribution. However, the horizontal surface distribution does not fully capture the complexity of the problem. Many pollutants, including plastics, tend to sink due to the disintegration or adhesion of materials altering their density. This study focuses on the horizontal and vertical dispersion of passive tracers in a turbulent, wind-driven ocean. Synthetic particles are advected using a Lagrangian model, with each particle’s trajectory solved using a fourth-order Runge-Kutta method. Four dispersion mechanisms are explored: (i) large-scale geostrophic currents based on the Stommel’s classical model, (ii) Ekman velocity, (iii) turbulent diffusivity due to submesoscale motions (simulated with a random walk), and (iv) inertial effects related to the tracer’s size and buoyancy. The study is divided into two parts: first, horizontal dispersion at the surface is examined, and then the three-dimensional scenario is addressed by immersing tracers through Ekman pumping. The key findings are as follows: 1) with surface Ekman drift, particles converge around the center of the Stommel gyre; however, this convergence decreases as turbulence effects increase; 2) considering inertial effects, increasing buoyancy or particle size results in greater convergence than that caused by Ekman drift; 3) when the vertical velocity is included, a low turbulent diffusivity allows tracers to reach greater depths because they remain longer times in regions of greater sinking.

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