Micromagnetic models for high-temperature magnetization dynamics

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