Assignatura: Nanomagnetisme i Espintrònica

Quadrimestre: Primavera

Crèdits ECTS: 2.5

Professors: Xavier Batlle

Departament / Facultat: Dept. Física Fonamental, Facultat Física, UB

Objectius: Objectius Generals i competències que l’alumne haurà d’haver assolit al finalitzar l’assignatura

L’objectiu principal es que l’alumne/a es familiaritzi amb els temes mes punyents del magnetisme i el transport de càrrega en sistemes de mida nanomètrica. Durant la major part del s. XX, la microelectrònica (transport de càrrega) i el magnetisme (espín de l’electró) han estat tractats com a camps de recerca independents. En les darreres dues dècades, l’electrònica d’espín ha emergit com una nova disciplina que diferencia els portadors en dos tipus segons el valor del seu espín. En aquest curs, revisaren alguns dels nous fenòmens físics que hi apareixen quan el transport de càrrega es produeix en materials magnètics que contenen estructures nanomètriques. En finalitzar l’assignatura, l’alumne/a hauria de ser capaç d’endinsar-se per ell mateix dins les noves fronteres del magnetisme i el transport en la nanoescala.

Recomanacions / Requisits previs

No es demanen requisits previs, tot i que l’alumne hauria de disposar d’alguns coneixements de física/química quàntica (moment angular orbital i d’espín, nivells energètics atòmics, ...) i de física/química de l’estat sòlid (bandes d’energia, electrons localitzats i itinerants, metalls i aïllants, tipus d’enllaç, ...). Tot i així, aquesta assignatura intenta ésser auto-consistent.

CONTINGUTS: Temari

Tema 1. Introducció al magnetisme

Moment magnètic i magnetisme atòmic: diamagnetisme i paramagnetisme. Interaccions magnètiques. Comportaments col·lectius: ferro, ferri i antiferromagnetisme. Metalls i aïllants. Excitacions elementals: ones d’espín. Anisotropia magnètica i dominis magnètics. Materials magnètics i aplicacions: materials tous (sensors, transformadors), enregistrament magnètic i imants permanents. L’efecte magnetocalòric i la refrigeració magnètica.

Tema 2. Nanomagnetisme: un viatge de tres a zero dimensions... i volta enrera.

Llargades de correlació. Nanomagnets de pocs espins: efecte túnel ressonant d’espín. Nanopartícules: partícules monodomini i model d’Stoner i Wohlfarth. Efectes de mida finita i de superfície. Superparamagnetisme. Contribució orbital al magnetisme: l’or magnètic, la nova alquímia del segle XXI? Auto-organització: els sòlids de partícules. Aplicacions biomèdiques. Capes primes i multicapes. Enregistrament magnètic. Nanofabricació d’estructures magnètiques: litografies físiques i mètodes d’autoensamblatge. Xarxes ordenades de nanoelements magnètics (patterned media). L’enregistrament magnètic d’ultra-alta densitat: el límit del Terabit per polsada quadrada.

Tema 3. L’espintrònica, o com i per què la càrrega i l’espín de l’electró importen

Càrrega i espín de l’electró: magnetisme vs microelectrònica. Transport de càrrega sota camp magnétic; magnetorresistència. Magnetorresistència ordinària en metalls normals i anisòtropa en metalls ferromagnètics: sensors de camp baix. Magnetorresistència gegant en multicapes ferromagnet/metall/ferromagnet: vàlvules d’espín; sensors magnètics i nous capçals de lectura/escriptura. Magnetorresistència túnel en unions ferromagnet/aïllant/ferromagnet: memòries magnètiques d’accés aleatori (magnetic RAM). Semiconductors magnètics: vers el transistor d’espín..

Tema 4. Noves fronteres del magnetisme i l’espintrònica

Planificació:

Hores presencials aula: 22 hores

Hores de treball dirigit: 10 hores

Hores per aprenentatge autònom: 37 hores

Bibliografia

Modern magnetic materials: principles and applications
B. O’Handley
John Wiley and Sons, Inc. New York, 2000.
Available on line.

Magnetism beyond 2000,
A.J. Freeman and S.D. Bader Editors
Journal of Magnetism and Magnetic Materials, volum 200, pàgines. 1-790 (1999).
Available on line.

Finite size effects in fine particles: magnetic and transport properties
X. Batlle and A. Labarta
Journal of Physics. D: Applied Physics, volum 35, pàgines R15-R42 (2002).
Available on line.