Fases magnéticas de sistemas nanoestruturados de terras-raras

There is presently a worldwide interest in artificial magnetic systems which guide research activities in universities and companies. Thin films and multilayers have a central role, revealing new magnetic phases which often lead to breakthroughs and new technology standards, never thought otherwise. Surface and confinement effects cause large impact in the magnetic phases of magnetic materials with bulk spatially periodic patterns. New magnetic phases are expected to form in thin film thicknesses comparable to the length of the intrinsic bulk magnetic unit cell. Helimagnetic materials are prototypes in this respect, since the bulk magnetic phases consist in periodic patterns with the length of the helical pitch. In this thesis we study the magnetic phases of thin rare-earth films, with surfaces oriented along the (002) direction. The thesis includes the investigation of the magnetic phases of thin Dy and Ho films, as well as the thermal hysteresis cycles of Dy thin films. The investigation of the thermal hysteresis cycles of thin Dy films has been done in collaboration with the Laboratory of Magnetic Materials of the University of Texas, at Arlington. The theoretical modeling is based on a self-consistent theory developed by the Group of Magnetism of UFRN. Contributions from the first and second neighbors exchange energy, from the anisotropy energy and the Zeeman energy are calculated in a set of nonequivalent magnetic ions, and the equilibrium magnetic phases, from the Curie temperature up to the Nèel temperature, are determined in a self-consistent manner, resulting in a vanishing torque in the magnetic ions at all planes across the thin film. Our results reproduce the known isothermal and iso-field curves of bulk Dy and Ho, and the known spin-slip phases of Ho, and indicate that: (i) the confinement in thin films leads to a new magnetic phase, with alternate helicity, which leads to the measured thermal hysteresis of Dy ultrathin films, with thicknesses ranging from 4 nm to 16 nm; (ii) thin Dy films have anisotropy dominated surface lock-in phases, with alignment of surface spins along the anisotropy easy axis directions, similar to the known spin-slip phases of Ho ( which form in the bulk and are commensurate to the crystal lattice); and (iii) the confinement in thin films change considerably the spin-slip patterns of Ho.

Sistemas magnéticos artificiais são foco do interesse em universidades e indústrias ao redor do mundo. A ciência e tecnologia de filmes finos e multicamadas magnéticas tem desempenhando um papel central, revelando fases novas, cujas propriedades, não raro, dão origem a quebra de paradigmas e novos ramos industriais antes inimagináveis. Materiais magnéticos cujas fases consistem da repetição de padrões envolvendo um conjunto de íons magnéticos são mais suscetíveis a efeitos de superfície. Novas fases são esperadas se a espessura do filme se aproxima do comprimento de periodicidade intrínseco. Materiais helimagnéticos são protótipos, uma vez que o período da hélice é o comprimento da célula unitária magnética do volume. O estudo das fases magnéticas de filmes finos de terras raras, com superfícies na direção (002), é o foco desta tese de doutorado. O projeto de pesquisa inclui a investigação do diagrama de fases de equilíbrio de filmes finos de Dy, e de Ho, bem como da histerese térmica de filmes de Dy. Ciclos de histerese térmica de filmes ultrafinos de Dy estão sendo investigados em parceria com o grupo experimental do laboratório de magnetismo da Universidade do Texas, em Arlington - EUA. O método teórico, para obter as fases de equilíbrio, consiste de um sistema, desenvolvido no Grupo de Magnetismo da UFRN, em que as contribuições das energias de troca, de primeiros e segundos vizinhos, a energia de anisotropia e a energia Zeeman, são calculadas em um conjunto de íons magnéticos inequivalentes, e as fases magnéticas, desde a temperatura de Curie até a temperatura de Neel, são determinadas de forma auto-consistente, garantindo torque nulo nos íons magnéticos em cada plano do filme. Nossos resultados reproduzem as medidas de magnetização para o volume ( a campo magnético fixo e medidas isotérmicas ) e as fases spin-slip do Ho, e sugerem que: (i)o confinamento em filmes finos dá origem a uma nova fase, de helicidade alternada, responsável pela histerese térmica medida em filmes de Dy com espessura entre 4nm e 16nm; (ii)filmes finos de Dy exibem fases com prevalência da anisotropia ("surface lock-in"), semelhantes às fases ("spin-slips") do Ho que são comensuráveis com a rede cristalina; e (iii)o confinamento em filmes finos altera o padrão das fases "spin-slips" do Ho