Anisotropia magnética em nanofilmes com assimetria cristalográfica

This Thesis comprises a theoretical study about the influence of the magnetocrystalline anisotropy on the static and dynamic magnetic properties of nanofilms: monolayers and trilayers coupled through the bilinear and biquadratic exchange fields, for situations in which the systems are grown in unusual [hkl] asymmetric directions. Using a theory based on a realistic phenomenological model for description of nanometric systems, we consider the total free magnetic energy including the Zeeman interaction, cubic and uniaxial anisotropies, demagnetizing and surface anysotropy energies, as well as the exchange terms. Numerical calculations are conducted by minimizing the total magnetic energy from the determination of equilibrium static configurations. We consider experimental parameters found in the literature to illustrate our results for Fe/Cr/Fe trilayer systems. In particular, a total of six different magnetic scenarios are analyzed for three regimens of exchange fields and the [211] and [321] asymmetric growth directions. After numerically minimize the total energy, we use the equilibrium configurations to calculate magnetization and magnetoresistance curves with the respective magnetic phases and corresponding critical fields. These results are also used to establish the boundary for occurrence of saturated states. Within the context of the spin waves, we solve the equation of motion for these systems in order to find the respective associated dispersion relations. The results show similar magnetization and magnetoresistance curves for both [211] and [321] growth scenarios, including an equivalent magnetic transition behavior. However, the combination of those peculiar symmetries and influence of the exchange energies results in attractive properties, including the generation of magnetic states as a function of the asymmetric degree imposed in the [hkl] growth orientations. There is also an increasing incompatibility between the values of saturation fields of magnetization and magnetoresistance for the cases in which a magnetic field acts along intermediate cubic anisotropic axes, particularly in the situations where the bilinear and biquadratic exchange fields are comparable. The dispersion relations and static results are consistent, the corresponding magnetic states are also present in both acoustic and optical modes. Furthermore, Goldstone excitations are also observed for that particular cases of a magnetic field acting in the intermediate axes, an effect related to transitions of second order and to the spontaneous symmetry breaking imposed by the combination of the biquadratic energy with the cubic and uniaxial anisotropies.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Esta Tese compreende um estudo teórico sobre a influência da anisotropia magnetocristalina nas propriedades magnéticas estáticas e dinâmicas de filmes finos: monocamadas e tricamadas acopladas através dos campos de troca bilinear e biquadrático, para situações nas quais os sistemas são crescidos em direções não usuais [hkl] de baixa simetria. Usando uma teoria baseada em um modelo fenomenológico realístico para descrever sistemas magnéticos nanométricos, consideramos a energia magnética livre total incluindo a interação Zeeman, anisotropias magnetocristalinas cúbica e uniaxial, anisotropias desmagnetizante e de superfície, bem como os termos de troca. Os cálculos numéricos são conduzidos através da minimização da energia magnética total a partir da determinação das configurações estáticas de equilíbrio. Consideramos parâmetros experimentais da literatura para ilustrar nossos resultados em sistemas tipo Fe/Cr/Fe. Em particular, um total de seis diferentes cenários magnéticos é analisado para três grupos de campos de troca e as direções de crescimento de baixa simetria [211] e [321]. Após minimizarmos numericamente a energia total, utilizamos as configurações de equilíbrio para obter curvas de magnetização e de magnetoresistência com as respectivas fases magnéticas e os campos críticos de transições de fases. Estes resultados também são usados para a determinação da fronteira de ocorrência dos estados saturados. Dentro do contexto das ondas de spin, resolvemos a equação de movimento para estes sistemas a fim de encontrarmos as respectivas relações de dispersão associadas. Os resultados mostram curvas de magnetização e magnetoresistência similares em ambos os cenários [211] e [321], com comportamento de transição magnética equivalente. No entanto, a combinação entre simetrias peculiares e a influência da energia de troca resulta em propriedades cativantes, incluindo a geração de estados magnéticos dependentes da direção de crescimento e aumento de incompatibilidade entre valores de campo de saturação da magnetização e magnetoresistência para eixos anisotrópicos cúbicos intermediários, particularmente no regime onde os campos de troca bilinear e biquadrático são comparáveis. As relações de dispersão e os resultados estáticos são coerentes, com as fases magnéticas também presentes em ambos os modos acústico e óptico. Excitações de Goldstone são observadas particularmente nos eixos anisotrópicos cúbicos intermediários, um efeito relacionado às transições de segunda ordem e à quebra espontânea de simetria imposta pela combinação entre o acoplamento biquadrático e as anisotropias cúbica e uniaxial.