Study of geometrical frustration and thermal activation in arrays of magnetic nanostructures

212 p.La tesis trata de nanoescructuras magnéticas, definidas por la disminución de sus tres dimensiones hasta cientos de nanómetros y formadas por materiales magnéticos. La introducción de interacciones en un conjunto de nanoestructuras magnéticas puede dar lugar a propiedades emergentes. Una de estas propiedades se conoce como frustración, es decir, la inhabilidad de un sistema físico de minimizar simultáneamente la energía de todas sus interacciones. En el año 2006, una nueva clase de metamateriales fue creada para estudiar sistemáticamente la frustración: los sistemas de hielo de espín artificial, que son básicamente un conjunto de nanoestructuras magnéticas en interacción. Para estudiar el efecto de la temperatura en estos sistemas, se ha desarrollado un esquema de simulación a multi-escala capaz de combinar simulaciones micromagnéticas estocásticas (cientos de nanómetros, decenas de microsegundos) con el método de Monte Carlo cinético al fin de considerar el comportamiento del sistema en su totalidad (decenas de micrómetros, cientos de segundos). Los resultados derivados de este método de simulación han sido comparados con datos de la literatura con el fin de verificar la validez de nuestra estrategia. Además de este esquema de simulación, nos basamos en nuestro conocimiento en magnetismo y plasmónica para idear una técnica no estándar de calentamiento de sistemas de hielo de espín artificiales: calentamiento termoplasmónico de nanoestructuras magnéticas. Trabajando con nanoestructuras alargadas de multicapa, se llegó a realizar una forma de calentamiento selectivo y local a través de la manipulación de un haz de luz con determinada longitud de onda. A pesar de no estar directamente relacionado con la frustración, pudimos demonstrar que la competición entre interacciones magnetostáticas también puede ser aprovechada para explorar el paisaje energético de nanoestructuras magnéticas, más allá de lo que se podría obtener con el solo uso de campos magnéticos homogéneos

Study of geometrical frustration and thermal activation in arrays of magnetic nanostructures

212 p.La tesis trata de nanoescructuras magnéticas, definidas por la disminución de sus tres dimensiones hasta cientos de nanómetros y formadas por materiales magnéticos. La introducción de interacciones en un conjunto de nanoestructuras magnéticas puede dar lugar a propiedades emergentes. Una de estas propiedades se conoce como frustración, es decir, la inhabilidad de un sistema físico de minimizar simultáneamente la energía de todas sus interacciones. En el año 2006, una nueva clase de metamateriales fue creada para estudiar sistemáticamente la frustración: los sistemas de hielo de espín artificial, que son básicamente un conjunto de nanoestructuras magnéticas en interacción. Para estudiar el efecto de la temperatura en estos sistemas, se ha desarrollado un esquema de simulación a multi-escala capaz de combinar simulaciones micromagnéticas estocásticas (cientos de nanómetros, decenas de microsegundos) con el método de Monte Carlo cinético al fin de considerar el comportamiento del sistema en su totalidad (decenas de micrómetros, cientos de segundos). Los resultados derivados de este método de simulación han sido comparados con datos de la literatura con el fin de verificar la validez de nuestra estrategia. Además de este esquema de simulación, nos basamos en nuestro conocimiento en magnetismo y plasmónica para idear una técnica no estándar de calentamiento de sistemas de hielo de espín artificiales: calentamiento termoplasmónico de nanoestructuras magnéticas. Trabajando con nanoestructuras alargadas de multicapa, se llegó a realizar una forma de calentamiento selectivo y local a través de la manipulación de un haz de luz con determinada longitud de onda. A pesar de no estar directamente relacionado con la frustración, pudimos demonstrar que la competición entre interacciones magnetostáticas también puede ser aprovechada para explorar el paisaje energético de nanoestructuras magnéticas, más allá de lo que se podría obtener con el solo uso de campos magnéticos homogéneos

Reduced-Complexity Algorithms for Indoor Map-Aware Localization Systems

The knowledge of environmental maps (i.e., map-awareness) can appreciably improve the accuracy of optimal methods for position estimation in indoor scenarios. This improvement, however, is achieved at the price of a significant complexity increase with respect to the case of map-unawareness, specially for large maps. This is mainly due to the fact that optimal map-aware estimation algorithms require integrating highly nonlinear functions or solving nonlinear and nonconvex constrained optimization problems. In this paper, various techniques for reducing the complexity of such estimators are developed. In particular, two novel strategies for restricting the search domain of map-aware position estimators are developed and the exploitation of state-of-the-art numerical integration and optimization methods is investigated; this leads to the development of a new family of suboptimal map-aware localization algorithms. Our numerical and experimental results evidence that the accuracy of these algorithms is very close to that offered by their optimal counterparts, despite their significantly lower computational complexity

Micromagnetic study of inertial spin waves in ferromagnetic nanodots

Here we report the possibility to excite ultra-short spin waves in ferromagnetic thin-films by using time-harmonic electromagnetic fields with terahertz frequency. Such ultra-fast excitation requires to include inertial effects in the description of magnetization dynamics. In this respect, we consider the inertial Landau-Lifshitz-Gilbert (iLLG) equation and develop analytical theory for exchange-dominated inertial spin waves. The theory predicts a finite limit for inertial spin wave propagation velocity, as well as spin wave spatial decay and lifetime as function of material parameters. Then, guided by the theory, we perform numerical micromagnetic simulations that demonstrate the excitation of ultra-short inertial spin waves (20 nm long) propagating at finite speed in a confined magnetic nanodot. The results are in agreement with the theory and provide the order of magnitude of quantities observable in realistic ultra-fast dynamics experiments.Comment: The following article has been accepted by Physical Review B. After it is published, it will be found at https://journals.aps.org/prb/. Revised version, 9 pages, 6 figures. Changes made in v2: added some references, minor edits and correction

Design of intense nanoscale stray fields and gradients at magnetic nanorod interfaces

We explore electrodeposited ordered arrays of Fe, Ni, and Co nanorods embedded in anodic alumina membranes as a source of intense magnetic stray field gradients localized at the nanoscale. We perform a multiscale characterization of the stray fields using a combination of experimental methods (magnetooptical Kerr effect and virtual bright field differential phase contrast imaging) and micromagnetic simulations and establish a clear correlation between the stray fields and the magnetic configurations of the nanorods. For uniformly magnetized Fe and Ni wires, the field gradients vary following saturation magnetization of the corresponding metal and the diameter of the wires. In the case of Co nanorods, very localized (similar to 10 nm) and intense (>1 T) stray field sources are associated with the cores of magnetic vortexes. Confinement of that strong field at extremely small dimensions leads to exceptionally high field gradients up to 10(8) T/m. These results demonstrate a clear path to design and fine-tune nanoscale magnetic stray field ordered patterns with a broad applicability in key nanotechnologies, such as nanomedicine, nanobiology, nanoplasmonics, and sensors