Generación y Detección de Corrientes de Espín en Granates
2025
| Tesista | Melisa Lara SOLIS Magíster en Ciencias Físicas orientadas a Física Tecnológica, Instituto Balseiro, Bariloche, Argentina. Doctorado en Ciencia y Tecnología, mención Física. Instituto Sabato UNSAM/CNEA - Argentina |
| Directores | Dra. Laura B. Steren. CNEA, CONICET - Argentina Dra. Myriam H. Aguirre. Instituto de Nanociencia de Aragón de la Universidad de Zaragoza- España. |
| Lugar de Realización | Centro Atómico Constituyentes - CNEA. |
| Fecha Defensa | 18/12/2025 |
| Jurado | Luis Avilés. UNCuyo - Argentina. |
Título completo
Generación y Detección de Corrientes de Espín en Granates
Resumen
Desde su descubrimiento, marcado por la Magnetoresistencia Gigante (GMR) en 1988, el campo de la espintrónica ha evolucionado rápidamente, dando lugar a nuevas áreas de investigación. Su objetivo final es desarrollar un nuevo enfoque capaz de superar las limitaciones de la electrónica convencional en términos de velocidad, eficiencia energética y densidad de almacenamiento. Este enfoque se basa en aprovechar el grado de libertad asociado al espín, además de la carga eléctrica. El estudio de la espintrónica requiere abordar tres aspectos fundamentales: la generación, el transporte y la detección del momento angular de espín. En este contexto, la dinámica de espín es el foco de una intensa investigación, orientada a mejorar la eficiencia de los dispositivos electrónicos modernos.
En particular, la espintrónica basada en materiales aislantes con orden magnético ofrece un enfoque prometedor para generar corrientes puras de espín. Estas corrientes, que no están acompañadas por una corriente de carga, permiten la propagación de espín sin pérdidas debidas a la disipación Joule. En esta línea, los portadores de espín son excitaciones magnéticas colectivas conocidas como magnones.
Esta tesis se centra en el estudio de la generación y detección de corrientes de espín en materiales aislantes con estructura cristalina granate. Estos materiales son fundamentales para el desarrollo de este área debido a su baja amortiguación de espines y su larga longitud de propagación. Sin embargo, es necesario profundizar en la comprensión de los mecanismos fundamentales que regulan el transporte de espín en estos materiales. Asimismo, la fabricación y optimización de los materiales para garantizar su reproducibilidad constituye un aspecto crucial para reducir costos.
Se investigó la generación de corrientes de espín coherentes mediante Resonancia Ferromagnética (FMR) e incoherentes a través del Efecto Espín Seebeck (SSE) en nanoestructuras de baja dimensionalidad basadas en granates de itrio-hierro, tanto puros como sustituidos. El SSE es uno de los fenómenos de transporte más relevantes en el campo de la caloritrónica de espín, ya que permite generar directamente una corriente de espín magnónica al aplicar un gradiente térmico en materiales magnéticos.
La detección de las corrientes de espín generadas se llevó a cabo en bicapas de granate y metal no magnético mediante el Efecto Spin Hall Inverso (ISHE), el cual surge de la interacción espín-órbita presente en el metal utilizado.
Las estrategias planteadas en este trabajo para mejorar la eficiencia de los dispositivos espintrónicos se pueden resumir como: (1) optimización de las nanoestructuras a nivel estructural, composicional y magnético, con el fin de estudiar los parámetros relevantes; (2) generación de corrientes de espín en el material magnético, ya sea mediante magnones o excitaciones coherentes de los espines y (3) análisis de la conversión interfacial de corrientes de espín en corrientes de carga detectables.
La primera parte de esta tesis se enfoca en la fabricación de las películas de materiales granates. En particular, se estudia la preparación de películas delgadas de alta calidad de granate de itrio-hierro (YIG) (Y3Fe5O12) y dopado con bismuto (Bi:YIG) (BixY3-xFe5O12). Además, se investigaron las bicapas formadas por estos materiales y platino para la detección de corrientes de espín mediante ISHE.
Se analizó la influencia de las tensiones inducidas por los sustratos, cuya estructura cristalina de granate coincide con la de los materiales depositados, y cómo el dopaje con bismuto afecta las propiedades magnéticas de las películas.
En la parte experimental, se implementaron dos métodos para detectar el ISHE mediante generación coherente por Spin Pumping por Resonancia Ferromagnética (SP-FMR) o incoherente por SSE. En el primer caso, se optimizó un experimento utilizando los equipos disponibles en el laboratorio para detectar el SSE. En el segundo caso, se fabricaron microdispositivos mediante litografía óptica con el objetivo de mejorar la repetibilidad de los experimentos y aumentar la precisión experimental. Este método alternativo se basa en el calentamiento inducido por corriente eléctrica en una capa de oro depositada sobre la heteroestructura Pt/granate. Finalmente, se analizó la equivalencia experimental entre ambos métodos, enumerando sus ventajas y desventajas.
Para la detección de SP-FMR se evaluaron dos métodos distintos: uno mediante el uso de una cavidad resonante en FMR y otro basado en el diseño de una Guía de Onda Coplanar (CPW) litografiada directamente sobre el material.
A pesar del gran progreso logrado en los últimos años, la complejidad estructural de estos materiales y la limitada comprensión de los mecanismos espintrónicos en las interfases han generado dispersión en los resultados publicados y cuellos de botella en el avance de esta tecnología. En consecuencia, esta tesis se centra en el estudio del ISHE en estas muestras y los factores que influyen en su optimización. Además, se analizaron las notables diferencias observadas en materiales fabricados en diferentes laboratorios, incluso bajo los mismos parámetros de fabricación. Estas diferencias plantean la posibilidad prometedora de controlar la funcionalidad de dispositivos basados en el efecto Hall de espín en materiales aislantes.
Complete Title
Generation and Detection of Spin Currents in Garnets
Abstract
Since its discovery, marked by Giant Magnetoresistance (GMR) in 1988, the field of spintronics has rapidly evolved, giving rise to new research areas. Its ultimate goal is to develop a new approach capable of overcoming the limitations of conventional electronics in terms of speed, energy efficiency, and storage density. This approach is based on taking advantage of the degree of freedom associated with spin, in addition to electric charge. The study of spintronics requires addressing three fundamental aspects: the generation, transport, and detection of spin angular momentum. In this context, spin dynamics is the focus of intense research aimed at improving the efficiency of modern electronic devices.
In particular, spintronics based on insulating materials with magnetic order offers a promising approach to generating pure spin currents. These currents, which are not accompanied by a charge current, allow spin propagation without losses due to Joule dissipation. Along these lines, spin carriers are collective magnetic excitations known as magnons.
This thesis focuses on the study of the generation and detection of spin currents in insulating materials with garnet crystal structures. These materials are fundamental for the development of this area due to their low spin damping and long propagation length. However, it is necessary to deepen the understanding of the fundamental mechanisms that govern spin transport in these materials. Likewise, the fabrication and optimization of the materials to ensure their reproducibility constitutes a crucial aspect for reducing costs.
The generation of coherent spin currents through Ferromagnetic Resonance (FMR) and incoherent ones through the Spin Seebeck Effect (SSE) was investigated in low-dimensional nanostructures based on yttrium iron garnets, both pure and substituted. The SSE is one of the most relevant transport phenomena in the field of spin caloritronics since it allows the direct generation of a magnonic spin current by applying a thermal gradient in magnetic materials.
The detection of the spin currents generated was carried out in bilayers of garnet and non-magnetic metal through the Inverse Spin Hall Effect (ISHE), which arises from the spin-orbit interaction present in the metal used.
The strategies proposed in this work to improve the efficiency of spintronic devices can be summarized as follows: (1) optimization of nanostructures at the structural, compositional, and magnetic levels, in order to study the relevant parameters; (2) generation of spin currents in the magnetic material, either through magnons or coherent spin excitations; and (3) analysis of the interfacial conversion of spin currents into detectable charge currents.
The first part of this thesis focuses on the fabrication of thin films of garnet materials. In particular, the preparation of high-quality thin films of YIG (Y3Fe5O12) and bismuth-doped YIG (BixY3-xFe5O12) is studied. Additionally, the bilayers formed by these materials and platinum were investigated for the detection of spin currents through ISHE.
The influence of substrate-induced stresses, whose garnet crystal structure matches that of the deposited materials, was analyzed, as well as how bismuth doping affects the magnetic properties of the films.
In the experimental part, two methods were implemented to detect ISHE through coherent generation by Spin pumping by Ferromagnetic Resonance (SP-FMR) or incoherent by SSE. In the first case, an experiment was optimized using the equipment available in the laboratory to detect SSE. In the second case, microdevices were fabricated using optical lithography with the goal of improving the reproducibility of the experiments and increasing experimental precision. This alternative method is based on current-induced heating in a gold layer deposited on the Pt/garnet heterostructure. Finally, the experimental equivalence between both methods was analyzed, listing their advantages and disadvantages.
For SP-FMR detection, two different methods were evaluated: one using a resonant cavity in FMR and another based on the design of a coplanar waveguide (CPW) directly lithographed onto the material.
Despite the significant progress achieved in recent years, the structural complexity of these materials and the limited understanding of spintronic mechanisms at the interfaces have generated dispersion in published results and bottlenecks in advancing this technology. Consequently, this thesis focuses on the study of ISHE in these samples and the factors that influence its optimization. Additionally, the notable differences observed in materials fabricated in different laboratories, even under the same fabrication parameters, were analyzed. These differences pose the promising possibility of controlling the functionality of devices based on the spin Hall effect in insulating materials.
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