Dinâmica e padrões emergentes de vórtices e skyrmions em heteroestruturas supercondutor-magneto quiral

Abstract

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.