A) Magnetización perpendicular de la capa de tres películas obtenida después de reconstruir la magnetización de un tomograma dicroico en MISTRAL adquirido a la energía de absorción L3 de Fe. Dos bifurcaciones están marcadas (D1 y D2). La barra de escala es de 525 nm. B) Líneas de campo magnético emergente y vectores generados en la parte central de la capa a partir de la bifurcación D2 que alberga un monopolo magnético de carga topológica negativa como lo indican las flechas convergentes. Los diferentes colores de las flechas son para mayor claridad visual. El lado del cubo mide 100 nm.
Cargas topológicas en materiales magnéticos
Cerdanyola del Vallès, 15 diciembre 2020 Cuando un material ferromagnético se satura mediante la aplicación de un campo magnético relativamente intenso, su magnetización se vuelve uniforme, lo que significa que cualquier elemento del volumen tiene la misma magnetización. Si se aplica un campo no muy fuerte para invertir la magnetización, entonces, en algunas partes la magnetización es tal y como era originalmente, mientras que en otras se invierte. Estas dos magnetizaciones opuestas dan lugar en algunos casos a extrañas distribuciones magnéticas llamadas singularidades magnéticas, que tienen interés por sí mismas.
Se puede imaginar una tormenta tropical con un tifón que es una singularidad en el campo de velocidades del viento y que es lo suficientemente estable como para viajar muchos kilómetros con vientos fuertes. Algo similar existe en los materiales magnéticos. Los vórtices de magnetización, que tienen semejanza geométrica con un tifón, pueden viajar distancias mesoscópicas mientras son empujados por campos magnéticos aplicados, análogos al viento de una tormenta.
La estabilidad de estas singularidades magnéticas tiene un interés práctico ya que pueden ser portadores de información en dispositivos magnéticos y, por ello, se están investigando intensamente. Los vórtices son las singularidades más simples pero hay muchos más tipos. Se caracterizan por sus denominadas cargas topológicas, que son cantidades numéricas asociadas a las características geométricas de la magnetización.
Si la magnetización cerca de la singularidad exhibe una distribución de rotación alrededor de dos o más ejes de rotación, que se asemeja a un remolino 2D, entonces la carga topológica no es cero. Más concreto, se define una curvatura vectorial generalizada que se designa como curvatura de Berry y tiene un origen cuántico. El producto de la curvatura de Berry con la constante de Planck se identifica como un campo magnético emergente Be. Análogamente con las cargas electrostáticas, el flujo de Be a través de una superficie cercana S es proporcional a la carga topológica encerrada por S que se cuantifica. En el lenguaje de las ecuaciones de Maxwell, esto equivale a div Be=4πℏρ siendo ρ la densidad de volumen de la carga topológica. Las distribuciones de vórtice tienen una carga topológica de ± 1/2 debido al núcleo de magnetización que es normal al plano de rotación del vórtice, mientras que los skyrmions, que son singularidades 2D, tienen carga +/- 1 (excepto en algunos casos especiales donde la magnetización hace varias vueltas). Una singularidad particularmente importante es el monopolo magnético o punto de Bloch, que es una singularidad 3D con carga ± 1. En este caso, el campo Be es radialmente simétrico alrededor del monopolo, como el campo eléctrico creado por una carga puntual y, de manera similar a la electrostática, el flujo a través de una superficie que incluye la carga permite determinar su magnitud.
Tomografía magnética de rayos X
En este trabajo, la magnetización se ha estudiado con rayos X con energías específicas donde el dicroísmo magnético es particularmente intenso. En MISTRAL, utilizando rayos X polarizados circularmente, se adquirieron imágenes de transmisión sensibles a la magnetización de la capa fina en diferentes ángulos. Este método de tomografía ha permitido determinar la magnetización 3D en la capa. El método tiene limitaciones debido a la gran relación de aspecto de la muestra (dimensión lateral >> espesor) y al rango angular limitado al que se puede acceder debido a restricciones geométricas en el portamuestras. Además, el espesor efectivo de la capa aumenta cuando el ángulo de incidencia de los rayos X se aparta de la normal de la superficie de la capa; y también las distorsiones de paralaje complican el análisis. A pesar de todas estas limitaciones, la precisión de la magnetización reconstruida fue suficiente para evaluar el campo emergente Be y evaluar las integraciones de superficie para localizar las cargas topológicas. Los exitosos resultados han requerido más de dos años de desarrollo y varios tiempos de haz de luz de sincrotrón.
La figura muestra la magnetización perpendicular a la capa de dominios magnéticos en una película de tres capas Py (80 nm) / NdCo (80 nm) / Py (80 nm) (Py = permalloy) fabricada con pulverización catódica. Cuando se invierte la magnetización, la capa desarrolla espontáneamente dominios magnéticos formando franjas con magnetización hacia arriba y hacia abajo, como se muestra en la figura A. Algunas de las franjas tienen bifurcaciones, indicadas en la figura con D1 y D2. Es precisamente en las bifurcaciones donde se esconden las singularidades magnéticas.
Dos series tomográficas de imágenes dicroicas permitieron reconstruir en 3D la magnetización y evaluar el campo emergente Be pudiendo localizar e identificar las cargas topológicas. El panel b de la figura corresponde al campo originado por un monopolo de carga -1 ubicado en el centro del cubo. La parte central oscura dentro del cubo ubica la posición de la singularidad que se determina dentro de la resolución del nuevo método. Curiosamente, la dislocación D1 que se ve en el panel a de la figura similar a D2 es completamente diferente del monopolo, ya que corresponde a una singularidad 2D de carga que se atribuye a un meron con carga nominal -1/2.
En conclusión, los resultados demuestran un método basado exclusivamente en datos experimentales sin ningún supuesto a priori sobre la magnetización, que permite identificar y determinar la naturaleza de singularidades magnéticas en capas delgadas. Estos resultados tienen un interés fundamental en el ámbito del nanomagnetismo y pueden tener aplicaciones en spintrónica.
Referencia: A. Hierro-Rodriguez, C. Quirós, A. Sorrentino, L. M. Alvarez-Prado, J. I. Martín, J. M. Alameda, S. McVitie, E. Pereiro, M. Vélez and S. Ferrer. Revealing 3D Magnetization of Thin Films with Soft X-ray Tomography: Magnetic Singularities and Topological Charges. Nat Commun 11, 6382 (2020). https://doi.org/10.1038/s41467-020-20119-x
