Exchange bias en nanopartículas de maghemita

Abstract

RESUMEN: En este trabajo se estudia el comportamiento de los ciclos de histéresis en el dominio de bajas temperaturas para nanopartículas ferrimagnéticas de maghemita γ-Fe2O3 cuando la anisotropía de superficie de Néel aumenta en el orden de varias décadas respecto a la anisotropía magnetocristalina de volumen. Nuestro modelo utiliza un Hamiltoniano de Heisenberg clásico que tiene en cuenta los términos de canje a primeros vecinos magnéticos Fe3+-Fe3+ tanto en sitios tetraédricos como octaédricos, anisotropías de volumen y superficie, más un término Zeeman. Como herramienta para la minimización de la energía se utilizó el método de Monte Carlo implementado con una dinámica de Metropolis. Los resultados revelan cambios importantes en la estructura magnética que difieren de un estado monodominio conforme la anisotropía de superficie aumenta. Dichos cambios se caracterizan por cierto grado de desorden superficial en la distribución angular de los espines que se propaga hacia el volumen de la nanopartícula a través de las integrales de superintercambio. Finalmente se presenta y discute la influencia de dichos cambios en la estructura magnética sobre la simetría de los ciclos de histéresis mediante análisis de las curvas de magnetización en función del campo magnético.

ABSTRACT: In this work we study the behavior of the hysteresis loops at low temperatures for ferrimagnetic nanoparticles of maghemite γ-Fe2O3 as the single ion Néel surface anisotropy increases in magnitude several decades respect to the core anisotropy. Our model employs a classical Heisenberg Hamiltonian which takes into account a coupling term involving Fe3+-Fe3+ magnetic nearest neighbors superexchange interactions in tetrahedral and octahedral sites, magnetocrystalline core and surface anisotropies as well as a Zeeman term. The Monte Carlo method implemented with a Metropolis dynamics was used as energy minimization tool. Results reveal remarkable changes in the magnetic structure contrasting with the single domain state as the surface anisotropy increases. Such changes are characterized by certain degree of surface disorder in the angular distribution of spins which propagates through the core via superexchange coupling. Finally, the influence of these changes in the magnetic structure upon the symmetry of the hysteresis loops and the onset of exchange bias, by analyzing the magnetization versus magnetic field curves, is presented and discussed.