MEMORIA DESCRIPTIVA

Campo de Aplicación

El presente invento trata de la existencia de configuraciones magnéticas en equilibrio para partículas ferromagnéticas de baja simetría. Esta baja simetría está dada por el bajo número de operaciones de simetría, tales como las rotaciones y reflexiones, que presenta el objeto, manteniendo la orientación espacial de este inalterada. Entre estos sistemas están aquellos formados por segmentos o barras, o sistemas de barras y combinaciones de estas, formando así estructuras con distintas geometrías. Estas estructuras, las cuales presentan una fuerte anisotropía configuracional, se ejemplifican en detalle con el estudio de una estructura tipo T. Al respecto se ha encontrado que esta estructura presenta cuatro estados magnéticos de equilibrio, cuya estabilidad frente a fluctuaciones magnéticas a temperatura ambiente se ha analizado. También se consideró en estos sistemas la presencia de imperfecciones estructurales, tales como la rugosidad, la que no muestra efectos significativos en el comportamiento magnético de estas partículas. La presente invención está destinada al campo de la información de almacenamiento magnético, permitiendo grabar más de un bit por elemento así como generando sistemas de grabación cuaternaria o mayor. El ejemplo presentado permite grabar dos bits por elemento o grabación cuaternaria. Las aplicaciones de la invención incluyen memorias magnéticas, sistemas de almacenamiento magnético, sensores y sistemas lógicos. Antecedentes de la Invención

Durante las últimas décadas se han realizado importantes esfuerzos para la producción de medios de almacenamiento magnético de alta densidad. La estrategia que ha sido adoptada muy a menudo es la reducción del tamaño de los elementos de memoria con el fin de aumentar la densidad de almacenamiento. Los elementos de memoria pueden ser nano-hilos, nano-tubos o nano-anillos, los cuales exhiben dos estados magnéticos estables, permitiendo almacenar un bit de información en cada uno. Sin embargo, dicha estrategia está limitada por la inestabilidad térmica, la cual es más importante cuando el tamaño del elemento de memoria comienza a reducirse, efecto conocido como superparamagnetismo. Con el fin de asegurar la estabilidad de un estado magnético durante largos períodos de tiempo (por ejemplo, varias décadas) a temperatura ambiente, se necesitan valores extremadamente grandes de anisotropía cuando el tamaño de los elementos de memoria alcanza la escala nanométrica. Una solución alternativa es aumentar el número de estados magnéticos por elemento de memoria. En esta dirección se han propuesto dos caminos. Uno se basa en el uso de partículas de multicapas magnéticas, en las que se presentan simultáneamente más de dos estados magnéticos. La otra ruta consiste en explorar la anisotropía configuracional magnética en partículas de diversas formas. Ejemplos de esta estrategia son triángulos, cuadrados y pentágonos, que exhiben simetrías de orden seis, orden cuatro, y de orden diez, respectivamente. Tales estructuras ilustran la relación entre la anisotropía configuracional y la forma de las partículas. Sin embargo, desde el punto de vista de su uso como elementos de memoria, dos preguntas surgen de inmediato. La primera se refiere a la estabilidad magnética de los estados de equilibrio. En otras palabras, el costo en energía para pasar de un estado a otro, resultando en una posible pérdida de información. El segundo problema se refiere a la solidez de los estados de equilibrio contra las imperfecciones estructurales como, por ejemplo la rugosidad.

Hoy en día, dependiendo de la potencial aplicación y del área de investigación, es factible encontrar una amplia variedad de geometrías, tamaños y materiales como parte del estado del arte en materiales magnéticos. Si bien la amplia gama de posibilidades hace imposible detallar las características de cada sistema magnético existente en la literatura, es posible dar cuenta de algunas estructuras que presentan características cercanas en términos magnéticos y/o geométricos a la invención propuesta. Un ejemplo de ello es la fabricación de estructuras magnéticas de hierro con forma de T diseñadas para el transporte de electrones dependiendo de los cambios en la resistencia debido a campos externos aplicados [The research of maqnetic contrast size dependence in epitaxial ¡ron nanostructures" de LA. Formin, J.V. Malikov, y G.M. Mikhailoyl SPM-2003, Proceedings. Nizhni Novgorod, March 2-5. 2003. P. 126. Dicha propuesta se orienta al análisis este sistema con el propósito de utilizarlo como un posible sistema de transporte electrónico, específicamente vinculado al efecto de magnetoresistencia gigante. No se presenta información sobre la configuración de los dominios ni de los estados magnéticos que podría presentar el sistema. Sólo se hace mención a la formación de paredes de dominio, configuración presente en la generalidad de sistemas magnéticos. Por último cabe mencionar que se trata de muestras de tamaño de los micrómetros.

Otra publicación relacionada con la invención es la tesis "Interacción Dipolar entre Sistemas Magnéticos Micro y Nanométricos", Departamento de Física, Universidad de Santiago de Chile, 2007, del candidato a doctor Juan Escrig. En esta tesis se presenta la descripción del comportamiento magnético y los estados de menor energía de diversas nanopartículas. Específicamente se analiza el rol de la interacción dipolar entre las partículas como función de la geometría y tamaño. Los sistemas detallados en esta tesis son arreglos de nanocilindros magnéticos, estudiando el rol de la interacción dipolar y la dependencia de la interacción con el tamaño de las muestras. También se estudian los sistemas de multicapas con geometría de anillo y sistemas bifásicos. Los resultados apuntan a una descripción en detalle de los estados a campo nulo y a la identificación de los modos de reversión encontrados mediante simulaciones numéricas y modelos analíticos. Respecto de los sistemas estudiados no se aborda ni discute su uso potencial en grabación de información.

Por otro lado la pubicación "Magnetism of Nanoparticles: Effects of Size, Shape, and Interactions" (Yury A. Koksharov, 2009) muestra que existen efectos de tamaño y de forma en el estado magnético de un sistema. Sin embargo esta verificación es muy diferente a que se proponga alguna forma en particular que permita albergar más de un bit magnético. En dicha publicación sólo se describen las características generales de la magnetización, sin referirse a los estados fundamentales que permitan grabar información en forma estable.

La publicación "Micromagnetics of Small Ferromagnetic Particles" (Nickolai A. Usov y Yury B. Grebenshchikov, 2009) señala que los sistemas magnéticos presentan configuraciones de la magnetización que son estables. Estos corresponden a mínimos locales o mínimos globales en la energía del sistema. Sin embargo en dicho texto sólo se señala sistemas donde los estados magnéticos estables son tales que permiten su uso como un bit. Además no se identifican geometrías que puedan albergar un número mayor a un bit. Una de las patentes que recoje el estado del arte en temas afines es el documento US2011037463 (2009), el cual divulga un sistema de detección de nanopartículas magnéticas, que también es usado para detectar moléculas, e incluso, en una configuración especial, que puede ser utilizado para detectar arreglos de moléculas que tienen enlazadas nanopartículas magnéticas. Si bien aparecen vórtices y además tiene una zona rectangular, esto no es indicativo de alguna relación directa entre este sistema y los estados magnéticos en los sistemas rectangulares. Más aún, esas características comúnmente existen en diversos sistemas magnéticos que no precisamente están relacionados con estados magnéticos estables. En cuanto a la caracterización magnética, las curvas de magnetización no presentan ninguna forma similar a las que evidencia el sistema T al realizar las simulaciones. El documento RU2160697 (1998) menciona un método para poder desarrollar y producir componentes para sistemas electrónicos e ingeniería eléctrica. En ninguna parte se especifica las posibles geometrías a realizar ni qué comportamiento magnético presentan las diferentes configuraciones que se podrían fabricar. En este documento no hacen referencia a geometrías rectangulares.

El documento US2011/0111259 (201 1 ) está relacionado con la inyección de paredes de dominio, la interacción entre ellas y las posibilidades de movilidad de dichas paredes ante la presencia de un campo externo aplicado. Su comportamiento magnético es similar al de diversos tipos de geometrías que están presentes en la literatura. No obstante, en esta configuración no se busca obtener un estado magnético estable ni explorar las posibilidades de transición entre estados, sólo la interacción y el manejo de las paredes de dominio.

El documento WO2010011241 (2009) describe un sistema de nanopartículas puestas sobre un sustrato y que presentan variaciones en su localización debido a la presencia de un campo magnético externo. En nuestro caso las partículas en las cuales se graba la información están fijas, y la información puede ser grabada en los diferentes ordenamientos magnéticos (no posicionales) que esta presenta. Las variaciones en la magnetización de un sistema de baja simetría, como por ejemplo el tipo T, se debe a las diversas contribuciones a la energía que presentan los momentos magnéticos de la muestra. Esto no altera el ordenamiento físico del material magnético que conforma el sistema. Luego de una búsqueda bibliográfica exhaustiva no se puedo encontrar en el estado del arte que partículas magnéticas con baja simetría fuesen candidatas para la fabricación de medios de grabación con más de un bit por elemento o de dispositivos magnéticos de grabación cuaternaria o mayor. Resumen de la Invención

El presente invento es un sistema formado por partículas ferromagnéticas de baja simetría con una fuerte anisotropía configuracional que presentan diversas configuraciones magnéticas de equilibrio. Esto considera estructuras que son invariantes tras realizar cuatro operaciones espaciales o menos en el plano de la estructura (plano xy en la Figura 1 ). Este bajo número de operaciones de simetría, tales como rotaciones y reflexiones, mantiene la orientación espacial de dicho objeto inalterada. Entre estos sistemas están aquellos formados por segmentos o barras, o sistemas de barras y combinaciones de estas, formando así estructuras con distintas geometrías. Estas estructuras se ejemplifican en detalle con el estudio de una estructura tipo T. Los resultados se describen en la siguiente sección. Basado en el método de Monte Cario (MC), se desarrollaron extensos cálculos numéricos que han puesto de manifiesto la aparición de estados de equilibrios magnéticos bien definidos en tales partículas. La estabilidad de los estados de equilibrio se ha estimado mediante el cálculo del campo magnético necesario para pasar de uno de estos estados a otro. Además, se realizó un análisis de la solidez de los resultados frente a la aparición de la rugosidad. Los sistemas referidos consisten en nano-elementos ferromagnéticos de baja simetría, como el que se ilustra en la Figura 1 , para lo cual extensas simulaciones numéricas han puesto de manifiesto la aparición de configuraciones magnéticas bastante estables. Tales estructuras pueden ser producidas utilizando técnicas de nanolitografía. Estas estructuras están formadas de diferentes materiales ferromagnéticos tales como hierro, cobalto, níquel, permaloy, u otros, y todas sus posibles combinaciones y aleaciones.

Todos estos materiales tienen sus temperaturas críticas o de Curie por encima de la temperatura ambiente, a la que se espera que los dispositivos basados en esas estructuras funcionen. La marcada estabilidad de las configuraciones de equilibrio en esas estructuras está íntimamente relacionada con la reducción de su simetría. Por lo tanto, estas estructuras permiten el desarrollo de nuevos medios de almacenamiento magnético.

Breve Descripción de las Figuras FIGURA 1 : Representación esquemática de una partícula con forma de T, ejemplo de sistema de baja simetría.

FIGURA 2: Dependencia angular de las componentes normalizadas de la magnetización mx y my a lo largo de la dirección del campo rotante aplicado externamente. FIGURA 3: Representación esquemática de las cuatro configuraciones de equilibrio del sistema utilizado como ejemplo. FIGURA 4: Representación esquemática de los estados magnéticos de una partícula con forma de L.

Descripción detallada de la Invención

Los nano-elementos considerados son elementos de baja simetría, tal como está definida en la presente invención. Un ejemplo de sistema propuesto se presenta en la Figura 1 . Esta consiste en dos barras de hierro, una barra paralela al eje x y otra paralela al eje y, las que están conectadas perpendicularmente en la mitad de la segunda barra. Estas barras son llamadas "horizontal (eje x)" y "vertical (eje y)", respectivamente. Las dos barras tienen el mismo espesor, t= 10nm, y el mismo ancho, w=40 nm. La longitud de la barra horizontal y de la barra vertical se escogieron iguales a LH=210 nm y Lv=250 nm, respectivamente.

Utilizando combinaciones de segmentos o barras es posible obtener otros elementos similares a los tipo T y que presentan propiedades equivalentes. La Figura 4 muestra resultados para una estructura tipo L, evidenciando que este tipo de estructuras permite albergar más de un bit por elemento.

Las simulaciones a continuación se realizaron considerando que los átomos de hierro, representados cada uno por un momento magnético de μ=2.2 μβ, están ordenados en una estructura cristalina tipo bcc con una constante de red a =0.28 nm. La constante de intercambio J que representa la interacción entre los momentos magnéticos tiene un valor 40 meV. La energía del sistema para una configuración dada de momentos magnéticos p,¡ está dada por la expresión: donde los subíndices <i j> indican que la suma se realiza considerando los pares de vecinos cercanos, r es la distancia entre el i-ésimo y j-ésimo átomo y h _sj es el vector unitario a lo largo de la dirección que conecta los átomos i-ésimo y j-ésimo. Es importante mencionar que el número de momentos magnéticos en estas partículas es del orden de 10 ⁷ , número muy superior a la cantidad de momentos magnéticos con los que es posible realizar simulaciones Monte Cario considerando interacción dipolar. Con el propósito de superar esta dificultad, se efectuó un procedimiento que combina las simulaciones de Monte Cario con la técnica de escalamiento introducida previamente para obtener el diagrama de fase de partículas magnéticas. Dicho procedimiento ha sido ampliamente usado en la literatura para investigar el comportamiento magnético de partículas, obteniendo resultados que corroboran de excelente forma datos experimentales. Este método consiste en escalar la constante J de intercambio, el número de momentos magnéticos N presentes en la muestra y la temperatura T presente en el sistema, mediante las siguientes relaciones ύ'=ξύ, Ν'=ξ ^3η Ν y Τ'=ξ ^3η Τ, donde ξ es la constante de escalamiento cuyo valor está en el intervalo 0< ξ < 1 , y η ^« 0.55. Para un valor apropiado de la constate de escalamiento es posible reducir el tamaño del sistema de interés para poder realizar cálculos mediante simulaciones Monte Cario (MC). En el presente trabajo se considera una constante de escalamiento ξ=0.002, lo que reduce el número de momentos magnéticos presentes en el sistema a N'=2072. La respuesta magnética del sistema frente a un campo rotante H de magnitud 4.0 kOe, en el plano x-y es suficientemente grande como para saturar la magnetización de la partícula en cualquier dirección en el plano x-y. La orientación del campo magnético fue variada en pasos de δθ=π/20, donde Θ es el ángulo entre el campo magnético externo aplicado y el eje x. Para cada valor del ángulo Θ, el sistema se mantuvo bajo un campo magnético externo aplicado por un periodo de tiempo correspondiente a 15.000 pasos de Monte Cario. La Figura 2 muestra las magnetizaciones normalizadas mx=Mx/M0 y my=My/M0, donde M0 es la magnetización de saturación, como función del ángulo Θ. En primer lugar discutimos los resultados para θ=ττ/4. En tal caso se encontró que mx=my, lo que significa que la magnetización total M apunta en la dirección en el plano x-y, correspondiente a la configuración (a) en la Figura 2. A medida que el ángulo Θ aumenta, se observa un decrecimiento gradual en mx y un crecimiento gradual en my hasta que el ángulo Θ alcanza un valor sobre ττ/2. Luego, ocurre una rápida variación en mx, cambiando su signo. Esto es consistente con que el sistema va desde la configuración (a) a la configuración (b) en la Figura 3, donde mx es negativo y my positivo. Un incremento aún mayor del ángulo Θ resulta en una reducción gradual en ambas componentes, hasta que el ángulo Θ se hace mayor a TT. Esta vez ocurre una variación rápida de my, cambiando su signo de positivo a negativo. Tal comportamiento es consistente con el sistema que va desde la configuración (b) a la configuración (c) en la Figura 3. Ambas componentes permanecen negativas hasta que el ángulo Θ atraviesa 3ττ/2, para el cual mx salta a valores positivos, indicando el paso del sistema desde la configuración (c) a la configuración (d). Finalmente, cuando el ángulo Θ se hace mayor a 2ττ, my cambia rápidamente a valores positivos, conduciendo el sistema a la configuración (a).

Los cambios rápidos en las componentes de la magnetización cuando el sistema va desde una configuración a otra, señala el cruce de la barrera de energía que separa los estados. La magnitud relativa de esa barrera es calculada determinando el valor mínimo de campo magnético H que lleva al sistema de una configuración inicial (i) a una configuración final (f). El proceso es el siguiente. El sistema inicialmente en la configuración (i) es sometido a un campo magnético en la dirección definida por la configuración (f), y se mantiene en esas condiciones por 2.000.000 pasos de Monte Cario. Luego, el campo es removido y el sistema se deja relajar por 2.000.000 pasos de Monte Cario. Si después de tal proceso el sistema retorna a la configuración (i), la intensidad del campo magnético es incrementada y todo el proceso se repite hasta que el sistema termine en la configuración (f) luego de los 2 millones de pasos de Monte Cario. Siguiendo tal procedimiento se determina el campo magnético H _t asociado con la transición entre todos los pares de estados representados en la Figura 3. Se destaca que, por simetría, algunas transiciones son equivalentes. Los resultados en unidades de kOe están resumidos en la tabla I.

TABLA I. Campo magnético H _t asociado con transiciones entre los estados en la Figura 3, en unidades de kOe. Transición

a, » b

1.36 ± 0.01

c <= d

a « ^■ c

1.50 ± 0.01

b <= d

a d

1.39 ± 0.01

b c

La magnitud de los campos de transición de la Tabla I indica que las cuatro configuraciones de equilibrio son bastante estables, lo cual es muy relevante desde el punto de vista de almacenamiento de información. La estabilidad de las cuatro configuraciones son resultados de la fuerte anisotropía configuracional que se asocia con la reducción de la simetría de las partículas en forma de T.

En cuanto a la robustez de los resultados frente a la rugosidad superficial que puede estar presente en sistemas reales, hemos realizado el siguiente proceso: Se elimina 3% de los momentos magnéticos de la superficie de la partícula, disponiéndolos en posiciones aleatorias en la superficie. Eso es equivalente a introducir un 6% de rugosidad superficial en el sistema. A continuación, se somete a la partícula a un campo magnético rotatorio y se observa el comportamiento de mx y my como funciones del ángulo de rotación. Los resultados son prácticamente indistinguibles de los obtenidos en la Figura 2. Luego se obtienen los campos de transición. Los valores de campo de transición para los sistemas con rugosidad superficial resultaron ser bastante similares a los sin rugosidad, como se ejemplifica en la Tabla II. TABLA II. Campos de transición correspondientes a la transición entre estados de la Figura 3 en la presencia de rugosidad superficial. Los resultados están en kOe.

En conclusión, se encontró cuatro estados magnéticos de equilibrio de las partículas de baja simetría en forma de T. Sistemas similares, como los tipo L, presentan propiedades equivalentes, permitiendo albergar un numero mayor de bits en un solo elemento. La estabilidad de tales estados se estudió mediante el cálculo de la magnitud de los campos magnéticos que pueden modificar el estado del sistema tipo T, permitiéndole al sistema ir de una configuración estable a otra.

Los resultados indican que tales estados son estables, como consecuencia de la fuerte anisotropía configuracional presente en el sistema, la cual es altamente interesante desde el punto de vista de las aplicaciones tecnológicas. Por último, y como se aprecia al comparar las tablas I y II, la rugosidad superficial no produce desviaciones significativas respecto de los campos requeridos para modificar los estados. De esta forma el sistema se muestra altamente estable.