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Institucional

Gallardo, R. A.

Impact of layer count and thickness on spin wave modes in multilayer synthetic antiferromagnets

NATURE PORTFOLIO

SCIENTIFIC REPORTS

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In this study, the spin-wave spectrum in multilayer synthetic antiferromagnets is calculated. The analysis focuses on the effects of varying both the thicknesses and the number of ferromagnetic layers within these structures. The results reveal that a non-reciprocal spin-wave dispersion occurs in structures with an even number of layers, while a reciprocal dispersion of two counterpropagating waves is observed for systems with an odd number of layers. As the number of layers and their thickness increase, the study identifies the distinctive presence of bulk and surface modes, with the latter being strongly affected by dynamic dipolar interactions. In multilayers with an even number of layers, such surface modes exhibit nonreciprocal behavior, maintaining their surface character only in one propagation direction. Conversely, in odd-layer systems, the symmetric counterpropagating surface modes have similar properties. Additionally, the bulk modes for both even and odd numbers of layers converge towards similar dynamic behavior as the thickness and number of layers increase. As the thickness of the ferromagnetic layers increases, the surface modes in multilayers with an odd number of layers remain localized at either the top or bottom, depending on the sign of the wave vector. In contrast, for the even case, the surface modes appear in both the top and bottom ferromagnetic layers when the layers are thin or ultrathin. However, as the ferromagnetic layer thickness increases, these modes gradually become predominantly localized at either the top or bottom of the multilayer. Finally, the study explores the application of an external magnetic field, demonstrating that surface chiral modes are absent in the saturated state, resulting in a reciprocal spin-wave dispersion. This establishes a magnetic field-mediated control over non-reciprocal localized surface modes.En este estudio, se calcula el espectro de ondas de espín en antiferromagnetos sintéticos multicapa. El análisis se centra en los efectos de variar tanto el espesor como el número de capas ferromagnéticas dentro de estas estructuras. Los resultados revelan que se produce una dispersión de ondas de espín no recíproca en estructuras con un número par de capas, mientras que se observa una dispersión recíproca de dos ondas que se propagan en direcciones opuestas para sistemas con un número impar de capas. A medida que aumenta el número de capas y su espesor, el estudio identifica la presencia distintiva de modos de volumen y de superficie, estos últimos fuertemente afectados por interacciones dipolares dinámicas. En multicapas con un número par de capas, dichos modos de superficie exhiben un comportamiento no recíproco, manteniendo su carácter superficial solo en una dirección de propagación. Por el contrario, en sistemas con un número impar de capas, los modos de superficie simétricos que se propagan en direcciones opuestas tienen propiedades similares. Además, los modos de volumen, tanto para un número par como impar de capas, convergen hacia un comportamiento dinámico similar a medida que aumentan el espesor y el número de capas. A medida que aumenta el grosor de las capas ferromagnéticas, los modos superficiales en multicapas con un número impar de capas permanecen localizados en la parte superior o inferior, según el signo del vector de onda. En cambio, en el caso de un número par de capas, los modos superficiales aparecen tanto en la capa superior como en la inferior cuando las capas son delgadas o ultradelgadas. Sin embargo, a medida que aumenta el grosor de la capa ferromagnética, estos modos se localizan gradualmente de forma predominante en la parte superior o inferior de la multicapa. Finalmente, el estudio explora la aplicación de un campo magnético externo, demostrando que los modos quirales superficiales están ausentes en el estado de saturación, lo que resulta en una dispersión recíproca de ondas de espín. Esto establece un control, mediado por el campo magnético, sobre los modos superficiales localizados no recíprocos.

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10.1038/s41598-025-08393-5

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