Micromagnetic models for high-temperature magnetization dynamics
Author
Nieves Cordones, PabloAdvisor
Fesenko Morozava, OksanaEntity
UAM. Departamento de Física de la Materia Condensada; CSIC. Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid (ICMM)Date
2015-05-05Funded by
This thesis was supported by the European Community’s Seventh Framework Programme (FP7/2007-2013) under grant agreement No. 281043, FEMTOSPINSubjects
Nanotecnología - Tesis doctorales; Materiales magnéticos - Tesis doctorales; FísicaNote
Tesis doctoral inédita leída en la Universidad Autónoma de Madrid, Facultad de Ciencias, Departamento de Física de la Materia Condensada. Fecha de lectura: 05-05-2015Esta obra está bajo una licencia de Creative Commons Reconocimiento-NoComercial-SinObraDerivada 4.0 Internacional.
Abstract
Recientemente, se han descubierto sorprendentes fenómenos en materiales
magnéticos como son la dinámica magnética ultrarrápida y el efecto spin Seebeck
con un gran interés tecnológico que va desde la grabación magnética a la
espintrónica. Para el desarrollo de aplicaciones tecnológicas basadas en estos
nuevos procesos es necesario por un lado modelos micromagnéticos que permitan
reproducir en simulaciones computacionales el comportamiento magnético a
gran escala de dichos procesos y por otro lado es necesario también un mayor
conocimiento sobre los mecanismos microscópicos responsables de los mismos.
Los modelos micromagnéticos basados en la ecuación de Landau-Lifshitz-
Gilbert (LLG) son muy utilizados en la modelización de materiales magnéticos
ya que en la mayoría de situaciones describen correctamente el comportamiento
magnético de dichos materiales, y por tanto, estos modelos son una herramienta
muy útil para el diseño de aplicaciones tecnológicas en las que se emplean materiales
magnéticos. En la ecuación de LLG la magnitud de la magnetización
promedio en un pequeño volumen del material (del orden de nm3) es constante.
Sin embargo, existen ciertos procesos como, por ejemplo, aquellos que tienen lugar
a temperaturas cercanas a la temperatura de Curie en los que la ecuación
de LLG no puede reproducir correctamente el comportamiento observado experimentalmente.
Esto es debido a que a altas temperaturas las ondas de espín
de alta frecuencia (baja longitud de onda) juegan un papel muy importante en
el comportamiento mágnetico. Por otro lado, la magnitud de la magnetización
promedio en un pequeño volumen de material no es constante a estas temperaturas.
Generalmente, estos nuevos procesos tienen lugar a altas temperaturas,
por tanto, es necesario el desarrollo de modelos micromagnéticos, alternativos a
aquellos basados en la ecuación de LLG, que puedan describirlos correctamente.
Una posible alternativa a la ecuación de LLG es la ecuación de Landau-
Lifshitz-Bloch (LLB) desarrollada por D. Garanin, ya que es más termodinámi camente consistente que la ecuación de LLG. La ecuación de LLB contiene
un término que proviene del canje interno del material y describe la dinámica
longitudinal magnética, y por tanto, puede describir correctamente los procesos
magnéticos a altas temperaturas y tiempos cortos. En esta tesis proponemos
un modelo micromagnético basado en la versión cuántica de la ecuación de LLB
tanto para materiales ferromagnéticos como aleaciones magnéticas. Además esta ecuación debido a su naturaleza cuántica permite analizar teóricamente como
diferentes mecanismos microscópicos afectan a la dinámica magnética lo que
podría ayudar a entender mejor el origen de estos nuevos procesos.
En resumen, los principales resultados que presentamos en esta tesis son los
siguientes:
. Derivación de la ecuación cuántica de LLB para materiales ferromagnéticos
a partir de un modelo de interacción del espín con electrones.
. Desarrollo de un modelo micromagnético basado en la ecuación cuántica
de LLB y comparación con medidas experimentales de dinámica magnética
ultrarrápida en láminas delgadas de FePt. Modelización de la dinámica
de imanación inducida por la polarización circular del láser sobre láminas
delgadas continuas y granulares de FePt.
. Desarrollo de un modelo cuántico y clásico macroscópico para aleaciones
magnéticas de dos componentes. El modelo está derivado de forma similar
a la ecuación LLB para materiales ferromagnéticos y verificado mediante
simulaciones atomísticas.
. Análisis de los tiempos de relajación longitudinal mediante la ecuación de
LLB en el material ferrimagnético GdFeCo en función de la temperatura y
la concentración de Gd.
. Derivación de la energía libre para materiales magnéticos formados por dos
subredes mediante dos métodos diferentes basados en la aproximación de
campo medio
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