Dinâmica e padrões emergentes de vórtices e skyrmions em heteroestruturas supercondutor-magneto quiral
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Data de Publicação: | 2022 |
Tipo de documento: | Tese |
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Texto Completo: | https://repositorio.ufpe.br/handle/123456789/47386 |
Resumo: | Vórtices em supercondutores (vórtice de Abrikosov) vêm sendo estudados desde a década de 50 mostrando ter um potencial enorme em aplicações tecnológicas. Por outro lado, skyrmions magnéticos passaram a serem estudados mais recentemente, tendo sido detectados pela primeira vez em 2009, mostrando também um grande potencial de aplicações, em especial na tecnologia de informação e dispositivos de memória. Nos últimos anos surgiu um crescente interesse em estudar heteroestruturas formadas por supercondutores e materiais magnéticos, podendo hospedar vórtices e skyrmions, respectivamente. Nesta tese, abordamos teoricamente a interação skyrmion-vórtice, para o caso de filmes finos, através de simulações numéricas e argumentos analíticos. Estudamos o efeito do campo magnético produzido pelo vórtice no skyrmion para um filme supercondutor de espessura arbitrária. E calculamos a dependência da energia de interação skyrmion-vórtice com a temperatura, estimando o seu valor no limite de altas temperaturas. Quando a interação é atrativa, o skyrmion pode se acoplar ao vórtice, formando um par skyrmion-vórtice. Mostramos algumas propriedades dinâmicas deste par. Depois passamos a investigar as configurações de equilíbrio da interação de muitos skyrmions e muitos vórtices em uma bicamada supercondutora-ferromagnética quiral. Quando o acoplamento skyrmion-vórtice é fraco, ambos vórtices e skyrmions formam redes, quase triangulares, homogêneas. Porém, quando aumentamos a energia de interação skyrmion-vórtice, independentemente dela ser atrativa ou repulsiva, o padrão homogêneo dá lugar a padrões metaestáveis diversos: aglomerados, listras, bolhas, listras intercaladas, e estruturas compostas de aglomerados e bolhas. Abordamos as transições entre as fases analiticamente, através de uma análise baseada em teoria de campo médio, e por simulações de dinâmica molecular, o que nos permitiu construir diagramas de fases detalhados mostrando a região no espaço de parâmetros onde cada fase deve aparecer. Também demonstramos que, pela escolha ade- quada dos parâmetros, pode-se alternar termicamente entre as fases homogênea e modulada em densidade. |
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SILVA NETO, José Ferreira dahttp://lattes.cnpq.br/6505984488763225http://lattes.cnpq.br/8076432608646837SILVA, Clécio Clemente de Souza2022-11-08T15:55:51Z2022-11-08T15:55:51Z2022-09-28SILVA NETO, José Ferreira da. Dinâmica e padrões emergentes de vórtices e skyrmions em heteroestruturas supercondutor-magneto quiral. 2022. Tese (Doutorado em Física) – Universidade Federal de Pernambuco, Recife, 2022.https://repositorio.ufpe.br/handle/123456789/47386Vórtices em supercondutores (vórtice de Abrikosov) vêm sendo estudados desde a década de 50 mostrando ter um potencial enorme em aplicações tecnológicas. Por outro lado, skyrmions magnéticos passaram a serem estudados mais recentemente, tendo sido detectados pela primeira vez em 2009, mostrando também um grande potencial de aplicações, em especial na tecnologia de informação e dispositivos de memória. Nos últimos anos surgiu um crescente interesse em estudar heteroestruturas formadas por supercondutores e materiais magnéticos, podendo hospedar vórtices e skyrmions, respectivamente. Nesta tese, abordamos teoricamente a interação skyrmion-vórtice, para o caso de filmes finos, através de simulações numéricas e argumentos analíticos. Estudamos o efeito do campo magnético produzido pelo vórtice no skyrmion para um filme supercondutor de espessura arbitrária. E calculamos a dependência da energia de interação skyrmion-vórtice com a temperatura, estimando o seu valor no limite de altas temperaturas. Quando a interação é atrativa, o skyrmion pode se acoplar ao vórtice, formando um par skyrmion-vórtice. Mostramos algumas propriedades dinâmicas deste par. Depois passamos a investigar as configurações de equilíbrio da interação de muitos skyrmions e muitos vórtices em uma bicamada supercondutora-ferromagnética quiral. Quando o acoplamento skyrmion-vórtice é fraco, ambos vórtices e skyrmions formam redes, quase triangulares, homogêneas. Porém, quando aumentamos a energia de interação skyrmion-vórtice, independentemente dela ser atrativa ou repulsiva, o padrão homogêneo dá lugar a padrões metaestáveis diversos: aglomerados, listras, bolhas, listras intercaladas, e estruturas compostas de aglomerados e bolhas. Abordamos as transições entre as fases analiticamente, através de uma análise baseada em teoria de campo médio, e por simulações de dinâmica molecular, o que nos permitiu construir diagramas de fases detalhados mostrando a região no espaço de parâmetros onde cada fase deve aparecer. Também demonstramos que, pela escolha ade- quada dos parâmetros, pode-se alternar termicamente entre as fases homogênea e modulada em densidade.CNPqVortices in superconductors have been studied since the 1950s, showing enormous potential in technological applications. On the other hand, magnetic skyrmions started to be studied more recently, having been detected for the first time in 2009, also showing a great potential for applications, especially in information technology and memory devices. In recent years there has been a growing interest in studying heterostructures formed by superconductors and magnetic materials, which can host vortices and skyrmions, respectively. In this thesis, we theoretically investigate the skyrmion-vortex interaction, in the case of thin films, through numerical simulations and analytical arguments. We study the effect of the magnetic field produced by the vortex on the skyrmion, for a superconducting film of arbitrary thickness and we calculate the dependence of the skyrmion-vortex interaction energy on temperature, estimat- ing its value at the high temperature limit. When the interaction is attractive, the skyrmion can couple to the vortex, forming a skyrmion-vortex pair. We show some dynamic properties of this pair. We then proceeded to investigate the equilibrium configurations of the interaction of many skyrmions and many vortices in a superconducting-chiral ferromagnetic bilayer. When the skyrmion-vortex coupling is weak, both vortices and skyrmions form homogeneous, almost triangular lattices. However, when we increase the energy of the skyrmion-vortex interaction, irrespective of whether it is attractive or repulsive, the homogeneous pattern gives place to diverse metastable patterns: clusters, stripes, bubbles, intercalated stripes, and composite bubbles-cluster structures. We approach the transitions between phases analytically, through an analysis based on mean field theory, and by molecular dynamics simulations, which allowed us to build detailed phase diagrams showing the regions in the parameter space where each phase should appear. We also demonstrate that, by appropriate choice of parameters, one can thermally tune between the homogeneous and density-modulated phases.porUniversidade Federal de PernambucoPrograma de Pos Graduacao em FisicaUFPEBrasilhttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/br/info:eu-repo/semantics/openAccessFísica da matéria condensada e de MateriasVórticesDinâmica molecularDinâmica e padrões emergentes de vórtices e skyrmions em heteroestruturas supercondutor-magneto quiralinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesisdoutoradoreponame:Repositório Institucional da UFPEinstname:Universidade Federal de Pernambuco (UFPE)instacron:UFPEORIGINALTESE José Ferreira da Silva Neto.pdfTESE José Ferreira da Silva Neto.pdfapplication/pdf8296692https://repositorio.ufpe.br/bitstream/123456789/47386/1/TESE%20Jos%c3%a9%20Ferreira%20da%20Silva%20Neto.pdf0faa2bf2940c8f7610ba67e3185c9e00MD51CC-LICENSElicense_rdflicense_rdfapplication/rdf+xml; charset=utf-8811https://repositorio.ufpe.br/bitstream/123456789/47386/2/license_rdfe39d27027a6cc9cb039ad269a5db8e34MD52LICENSElicense.txtlicense.txttext/plain; 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