Modeling of macrosopic anisotropies due to surface effects in magnetic thin films and nanoparticles

Abstract

En esta tesis en concreto se han trabajado en los siguientes temas: a) Estudio de partíıculas individuales como sistemas multiespíın. Para partículas con diámetros de unos pocos nanómetros es de esperar que la influencia de los efectos superficiales produzca alguna no colinealidad en la configuración de los espines, dependiente de la magnitud de la anisotropía superficial. Estas no colinealidades producen unas anisotropías efectivas, de modo que podemos describir una nanopartícula multiespíın como una macroespín pero con anisotropías adicionales. La metodología está basada en el Hamiltoniano de tipo Heisenberg y en el método de multiplicadores de Lagrange para mapear el comportamiento multiespíın a un solo macroespín. La anisotropía de superficie fue modelada aplicando un modelo de Néel. Como parte de este estudio se obtuvieron los paisajes de energía (dependencia angular de la energía magnética del sistema con respecto a la dirección de la imanación) de nanopartículas magnéticas. Se estudiaron los paisajes de energía para nanopartículas con diferentes formas, redes cristalinas, anisotropía magnetocristalina así como la intensidad de la anisotropía de superficie. Además se estudiaron las barreras de energía extrayéndose de ellas los valores de la anisotropía efectiva del sistema. Posteriormente se analizó la dependencia de la anisotropía efectiva con el tamaño del sistema y el rango de validez de la fórmula fenomenológica Keff = KV + 6 DKS que relaciona la anisotropía effectiva con la anisotropía de volumen, la anisotropía de superficie y el diámetro de la nanopartícula. b) Estudio del comportamiento de la anisotropía magnética con la temperatura. En esta sección se estudió cómo se ve afectada la anisotropía magnética efectiva por la temperatura en nano-partículas y películas ultra-delgadas. Es bien conocido que en un sistema cuya anisotropía efectiva es de carácter uniaxial o cúbico ésta se comporta siguiendo la ley de Callen-Callen, al menos a bajas temperaturas. No obstante, en sistemas más complejos con efectos de superficie importantes, como es el caso de las láminas delgadas o las nano-partículas magnéticas, este comportamiento no está claro. Con el fin de analizar la dependencia de la anisotropía magneto-cristalina efectiva con la temperatura, se llevaron a cabo diversas simulaciones magnéticas utilizando el algoritmo de Monte Carlo con ligadura (CMC) desarrollado recientemente conjuntamente con el Dr. P. Asselin (Seagate Technology) en el curso de este trabajo de tesis. Se analizó la dependencia térmica de la anisotropía efectiva en láminas delgadas y nanopartículas (esféricas y octaédricas truncadas) con diferentes configuraciones de los ejes fáciles del sistema. c) Estudio multiescala de láminas magnéticas delgadas. Desafortunadamente, en este momento una descripción cuántica a todas las escalas (temporal, espacial, etc.) resulta imposible. Adicionalmente, los modelos ”ab-initio” no pueden calcular directamente las dependencias térmicas de los parámetros macroscópicos tales como anisotropías efectivas. Sin embargo, los cálculos ”ab-initio” pueden obtener los parámetros magnéticos intrínsecos. En este contexto, se han realizado modelizaciones multiescala con el fin de extraer parámetros atomísticos y parametrizar el Hamiltoniano clásico. Dentro de este esquema se han estudiado las propiedades magnéticas de láminas delgadas de Co ((100) y (111)) y Co/Ag (con diferente interfaz (100) o (111)) mono o bicapas de Ag.