Modelación micromagnética de sistemas nanométricos en función de la geometría y el tamaño

Abstract

RESUMEN: En condiciones de frontera libre y a temperatura cero, se realizaron simulaciones micromagnéticas computacionales de sistemas nanométricos de hierro (Fe) y Permalloy (Ni80Fe20); principalmente discos y prismas, los cuales fueron sometidos a la acción de un campo magnético externo aplicado en dirección x. Las simulaciones se hicieron a partir de Ubermag, que es un conjunto de paquetes de Python independientes y el Marco Micromagnético Orientado a Objetos (OOMMF). El Hamiltoniano de cada uno de los sistemas estudiados está constituido por cuatro términos: energía de anisotropía (Ek), energía desmagnetizante (Ed), energía de intercambio (Eex) y energía Zeeman (EZ). A su vez, la dinámica de la magnetización en función del tiempo, en cada paso del campo magnético se realizó resolviendo la ecuación diferencial de Landau-Lifshitz-Gilbert (LLG). Los resultados muestran que a esta escala nanométrica, las propiedades micromagnéticas están fuertemente gobernadas por dos aspectos principales, el tamaño y la forma, quedando este comportamiento evidenciado en los ciclos de histéresis, que muestran claramente según sea la razón de aspecto, la formación de una especie de hombros que están relacionados directamente con campos de nucleación (Hn) y aniquilación (Han), de hecho, los gráficos de magnetización muestran como varía cuando estos campos se generan y desvanecen, lo que condujo a la formación de distintos estados magnéticos como por ejemplo, los de tipo vórtice (V ), que vienen acompañados del movimiento de dominios y paredes de dominio magnético alrededor de un núcleo con capacidad de desplazamiento. En cuanto al paisaje de energías se evidenció una competencia entre las mismas, tratando de lograr un estado de equilibrio o de mínima energía, sin embargo, también se notó que, a pesar de que todas participan activamente durante el proceso de magnetización e inversión de la magnetización, lo hacen con distintos órdenes de magnitud, siendo las de mayor aporte, EZ y Ed, como consecuencia de que el campo magnético externo fue aplicado sobre uno de los ejes de fácil magnetización (x), lo que favorece que los momentos magnéticos se acoplen tanto en la dirección del campo, así como en la dirección de los ejes de fácil magnetización, gracias a la anisotropía cúbica de los materiales elegidos. Finalmente los principales resultados se resumieron en una propuesta de un diagrama de fases magnético controlado por campo en el que dichos estados de vórtice son estables a lo largo de las curvas (M − H) y donde se identificaron cuatro fases diferentes. Confiamos en que que nuestros resultados, que se suponen similares para otros prismas ferromagnéticos y nanométricos, podrían ser importantes para el diseño de dispositivos de importancia tecnológica, como válvulas de espín, donde las configuraciones magnéticas en campos estáticos aplicados, pueden influir en las propiedades de transporte eléctrico y la magnetorresistencia.