Histerese térmica de sistemas magnéticos nanoestruturados

We report a theoretical investigation of thermal hysteresis in magnetic nanoelements. Thermal hysteresis originates in the existence of meta-stable states in temperature intervals which may be tuned by small values of the external magnetic field, and are controlled by the systems geometric dimensions as well as the composition. Two systems have been investigated. The first system is a trilayer consisting of one antiferromagnetic MnF2 film, exchange coupled with two Fe lms. At low temperatures the ferromagnetic layers are oriented in opposite directions. By heating in the presence of an external magnetic field, the Zeeman energy induces a gradual orientation of the ferromagnets with the external field and the nucleation of spin- op-like states in the antiferromagnetic layer, leading eventually, in temperatures close to the Neel temperature, to full alignment of the ferromagnetic films and the formation of frustrated exchange bonds in the center of the antiferromagnetic layer. By cooling down to low temperatures, the system follows a different sequence of states, due to the anisotropy barriers of both materials. The width of the thermal hysteresis loop depends on the thicknesses of the FM and AFM layers as well as on the strength of the external field. The second system consists in Fe and Permalloy ferromagnetic nanoelements exchange coupled to a NiO uncompensated substrate. In this case the thermal hysteresis originates in the modifications of the intrinsic magnetic

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico

Relatamos um estudo de histerese térmica em sistemas magnéticos nanoestruturados. A histerese térmica se origina da existência de estados meta-estáveis em intervalos de temperatura que são controláveis pelas dimensões físicas e composição do sistema magnético e pelo valor do campo magnético externo. Dois sistemas são investigados. O primeiro sistema consiste de uma tricamada contendo um filme antiferromagnético de MnF2 com interação de troca de interface com dois filmes ferromagnéticos de Fe. Em baixa temperatura os dois filmes ferromagnéticos têm magnetização em direções opostas. Ao aquecer o sistema em presença de campo magnético externo a energia Zeeman se sobrepõe a ordem magnética do filme de MnF2 induzindo uma orientação progressiva dos filmes ferromagnéticos com o campo externo, e a formação de estados com spins fora da direção fácil (spin flop) no material antiferromagnético, evoluindo para alinhamento dos filmes ferromagnéticos em temperaturas ao redor da temperatura de Néel, com a formação de ligações com frustração da energia de troca no centro do filme antiferromagnético. Ao resfriar o sistema segue uma sequência diferente de estados devido a barreira de anisotropia dos materiais. A largura da histerese térmica depende da espessura dos filmes e da intensidade do campo magnético externo. O segundo sistema estudado consiste de nanoelementos de Fe e Permalloy em substratos não-compensados de NiO. Nesse caso a histerese térmica se origina nas modificações, impostas pelo acoplamento de troca na interface, na ordem magnética intrínseca do nanolemento ferromagnético. Ao aquecer além da temperatura de Néel, o nanoelemento se ajusta gradualmente ao padrão magnético imposto pelo seu próprio campo dipolar e, no processo de resfriamento pode seguir uma sequência diferente de fases magnéticas devido a barreira imposta por sua alta anisotropia de forma. Mostramos que histerese térmica é mais provável em nanoelementos de Fe, devido ao valor elevado da magnetização de saturação, e para nanoelementos de base quadrada, com dimensões laterais ao redor de 100nm, devido a possibilidade de nucleação de vórtices. Comentamos no possível impacto de histerese térmica no funcionamento de células de tunelamento, usadas em memórias magnéticas de acesso aleatório