Thesis: Toroidal Moments in Micromagnetism and their Connection with Magnonics
| datacite.subject.fos | Natural sciences::Physical sciences::Condensed matter physics | |
| dc.contributor | Pontificia Universidad Católica de Valparaíso | |
| dc.contributor.correferente | Otro | |
| dc.contributor.department | Departamento de Física | |
| dc.contributor.guia | Landeros Silva, Pedro Miguel | |
| dc.contributor.patrocinante | Landeros Silva, Pedro Miguel | |
| dc.coverage.spatial | Campus Casa Central Valparaíso | |
| dc.creator | Brevis Garrido, Felipe Eduardo | |
| dc.date.accessioned | 2026-01-21T14:40:11Z | |
| dc.date.available | 2026-01-21T14:40:11Z | |
| dc.date.issued | 2025-12-05 | |
| dc.description.abstract | Nonreciprocal propagation of spin waves in magnetic media is one of the central ingredients for information transport and signal processing in magnonics. In this context, the magnetic toroidal moment ($\boldtau$), originally introduced in the context of multiferroic systems and the magnetoelectric effect, can indicate configurations that break both spatial inversion and time-reversal symmetries and is therefore a quantity to describe and design nonreciprocal responses. However, its formulation within micromagnetism, such as the different definitions, the choice of origin, and its connection to magnon spectra, remains only partially understood. This thesis develops a micromagnetic framework for toroidal moments in confined magnetic structures and establishes their impact on spin-wave nonreciprocity. Different definitions of the toroidal moment are revisited and related in terms of continuous magnetization distributions, where volume and surface contributions to the toroidal moment are found. The role of the choice of origin and a possible connection between toroidal moments and the antisymmetric part of the spin-wave tensor are studied. The toroidal moment is evaluated for a broad class of magnetic systems and geometries, including ferromagnets with electric currents, conical–helical states in thin films and tubes, skyrmions, merons and bimerons in confined structures, and ferromagnetic systems with graded magnetization, revealing the conditions for the presence of a toroidal moment according to the magnetic ground state, some parameters, and geometry. Moreover, the thesis corroborates that a finite projection $\boldsymbol{\tau}\cdot\mathbf{k}\neq 0$ between the toroidal moment and the spin-wave wave vector provides a useful condition for nonreciprocal magnon propagation. This criterion is shown to agree with well-known mechanisms of nonreciprocity, such as current-driven Doppler shifts, graded magnetic profiles, Dzyaloshinskii–Moriya interaction, and curvature-induced symmetry breaking in curved geometries. Interestingly, from an optical perspective, the propagation of electromagnetic waves in a medium with a finite toroidal moment yields a dispersion relation containing the scalar product $\boldsymbol{\tau}\cdot\mathbf{k}$. Moreover, the dynamics of the toroidization are captured by a pair of equations of motion analogous to the Landau–Lifshitz–Gilbert equation, which couple the toroidization to the magnetization and to the monopolar magnetoelectric contribution. Altogether, these results consolidate the toroidal moment as a key parameter for designing nonreciprocal magnonic systems in novel magnetic media. Finally, the evolution from flat stripes to closed nanotubes is analyzed, revealing curvature-induced parity breaking, mode hybridization, and dispersion asymmetries in agreement with the associated toroidal moments. | en_US |
| dc.description.abstract | La propagación no recíproca de ondas de espín en medios magnéticos es uno de los componentes centrales para el transporte de información y el procesamiento de señales en magnónica. En este contexto, el momento toroidal magnético ($\boldtau$), introducido originalmente en el contexto de los sistemas multiferroicos y el efecto magnetoeléctrico, puede indicar configuraciones que rompen las simetrías de inversión espacial y temporal, y por lo tanto, es una magnitud para describir y diseñar respuestas no recíprocas. Sin embargo, su formulación dentro del micromagnetismo, como las diferentes definiciones, la elección del origen y su conexión con los espectros magnónicos, aún se comprende parcialmente. Esta tesis desarrolla un marco micromagnético para momentos toroidales en estructuras magnéticas confinadas y establece su impacto en la no reciprocidad de las ondas de espín. Se revisan diferentes definiciones del momento toroidal y se relacionan en términos de distribuciones de magnetización continua, donde se encuentran las contribuciones del volumen y la superficie al momento toroidal. Se estudia el papel de la elección del origen y una posible conexión entre los momentos toroidales y la parte antisimétrica del tensor de ondas de espín. El momento toroidal se evalúa para una amplia clase de sistemas y geometrías magnéticas, incluyendo ferroimanes con corrientes eléctricas, estados cónico-helicoidales en películas delgadas y tubos, skyrmions, merones y bimerones en estructuras confinadas, y sistemas ferromagnéticos con magnetización graduada, revelando las condiciones para la presencia de un momento toroidal de acuerdo con el estado fundamental magnético, algunos parámetros y geometría. Además, la tesis corrobora que una proyección finita $\boldsymbol{\tau}\cdot\mathbf{k}\neq 0$ entre el momento toroidal y el vector de onda de espín proporciona una condición útil para la propagación no recíproca de magnones. Se demuestra que este criterio concuerda con mecanismos bien conocidos de no reciprocidad, como los desplazamientos Doppler impulsados por la corriente, los perfiles magnéticos graduados, la interacción de Dzyaloshinskii-Moriya y la ruptura de simetría inducida por la curvatura en geometrías curvas. Curiosamente, desde una perspectiva óptica, la propagación de ondas electromagnéticas en un medio con un momento toroidal finito produce una relación de dispersión que contiene el producto escalar $\boldsymbol{\tau}\cdot\mathbf{k}$. Además, la dinámica de la toroidización se captura mediante un par de ecuaciones de movimiento análogas a la ecuación de Landau-Lifshitz-Gilbert, que acoplan la toroidización a la magnetización y a la contribución magnetoeléctrica monopolar. En conjunto, estos resultados consolidan el momento toroidal como un parámetro clave para el diseño de sistemas magnónicos no recíprocos en nuevos medios magnéticos. Finalmente, se analiza la evolución de franjas planas a nanotubos cerrados, revelando ruptura de paridad inducida por curvatura, hibridación de modos y asimetrías de dispersión en concordancia con los momentos toroidales asociados. | es |
| dc.description.degree | Doctorado en Ciencias Físicas | |
| dc.description.sponsorship | ANID-BecaDoctoradoNacional-21211469 (2021) | |
| dc.description.sponsorship | ANID-FONDECYT-1241589 | |
| dc.driver | info:eu-repo/semantics/doctoralThesis | |
| dc.format.extent | 137 páginas | |
| dc.identifier.doi | 10.71959/7w3d-h425 | |
| dc.identifier.uri | https://cris.usm.cl/handle/123456789/4307 | |
| dc.identifier.uri | https://doi.org/10.71959/7w3d-h425 | |
| dc.language.iso | en | |
| dc.publisher | Universidad Técnica Federico Santa María | |
| dc.rights | Attribution 4.0 International | en |
| dc.rights.uri | http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/ | |
| dc.subject | Magnetism | |
| dc.subject | Toroidal Moment | |
| dc.subject | Magnonics | |
| dc.subject | Nonreciprocity | |
| dc.subject | Spin waves | |
| dc.subject.ods | 17 Alianzas para lograr los objetivos | |
| dc.subject.ods | 4 Educación de calidad | |
| dc.title | Toroidal Moments in Micromagnetism and their Connection with Magnonics | |
| dspace.entity.type | Tesis |
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