Nucleação de vortices e paredes de domínio em nanoestruturas magnéticas

We report a theoretical investigation of the magnetic phases and hysteresis of exchange biased ferromagnetic (F) nanoelements for three di erent systems: exchange biased nanoparticles, exchange biased narrow ferromagnetic stripes and exchange biased thin ferromagnetic lms. In all cases the focus is on the new e ects produced by suitable patterns of the exchange energy coupling the ferromagnetic nanoelement with a large anisotropy antiferromagnetic (AF) substrate. We investigate the hysteresis of iron and permalloy nanoparticles with a square basis, with lateral dimensions between 45 nm and 120 nm and thickness between 12 nm and 21 nm. Interface bias is aimed at producing large domains in thin lms. Our results show that, contrary to intuition, the interface exchange coupling may generate vortex states along the hysteresis loop. Also, the threshold value of the interface eld strength for vortex nucleation is smaller for iron nanoelements. We investigate the nucleation and depinning of an array of domain walls pinned at interface defects of a vicinal stripe/AF bilayer. The interface exchange eld displays a periodic pattern corresponding to the topology of the AF vicinal substrate. The vicinal AF substrate consists of a sequence of terraces, each with spins from one AF subalattice, alternating one another. As a result the interface eld of neighboring terraces point in opposite direction, leading to the nucleation of a sequence of domain walls in the ferromagnetic stripe. We investigated iron an permalloy micrometric stripes, with width ranging from 100 nm and 300 nm and thickness of 5 nm. We focused in domain wall sequences with same chirality and alternate chirality. We have found that for 100nm terraces the same chiraility sequence is more stable, requiring a larger value of the external eld for depinning. The third system consists of an iron lm with a thickness of 5 nm, exchange coupled to an AF substrate with a periodic distribution of islands where the AF spins have the opposite direction of the spins in the background. This corresponds to a two-sublattice noncompensated AF plane (such as the surface of a (100) FeF2 lm), with monolayer-height islands containing spins of one sublattice on a surface containing spins of the opposite sublattice. The interface eld acting in the ferromagnetic spins over the islands points in the opposite direction of that in the spins over the background. This a model system for the investigation of interface roughness e ects. We have studied the coercicivity an exchange bias hysteresis shift as a function of the distance between the islands and the degree of interface roughness. We have found a relevant reduction of coercivity for nearly compensated interfaces. Also the e ective hysteresis shift is not proportional to the liquid moment of the AF plane. We also developed an analytical model which reproduces qualitatively the results of numerical simulations

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico

Apresentamos neste trabalho uma investigação teórica de fases magnéticas e histereses de sistemas ferromagnéticos (F) acoplado a um substrato antiferromagnético (AF), conhecido na literatura como sistema de Exchange Bias de três diferentes sistemas: partícula, fita e filme, acoplados a um substrato antiferromagnético altamente anisotrópico. Estudamos histereses de nanopartículas de ferro e permalloy com base quadrada, dimensão lateral entre 45 nm e 120 nm e espessura entre 12 nm e 21 nm. O substrato AF é normalmente usado para estabilizar magneticamente estes tipos de partículas de modo que a mesma seja sempre monodomínio, no entanto contrário a intuição, o acoplamento com o substrato AF pode gerar estados magnéticos tipo vórtice na nanopatículas ao longo da curva de magnetização. Também identificamos que o valor do acoplamento de interface para a nucleação de vórtice é menor para nanoelementos de Ferro. Investigamos a nucleação e o campo de desprendimento de uma sequência de paredes de domínio geradas por defeitos de uma interface AF vicinal em uma bicamada F/AF. O acoplamento com a interface AF apresenta um campo de troca com a fita F que muda periodicamente ao longo da fita correspondendo a topologia de um substrato vicinal. O substrato AF vicinal consiste em uma sequência de terraços, cada um com spins de diferentes subredes do AF alternadamente. Como resultado deste acoplamento de interface, temos terraços na fita com magnetização em direções opostas, isto pode gerar uma sequência de paredes de domínio ao longo da fita ferromagnética. Estudamos fitas micrométricas de ferro e permalloy com largura entre 100 e 300 nanômetros e espessura de 5 nm. Neste trabalho enfatizamos em duas configurações possíveis de sequências de paredes de domínio: a primeira onde o ângulo entre os momentos magnéticos ao longo da fita sempre aumenta, mesma quiralidade, e no caso da quiralidade alternada os ângulos aumentam e diminuem para cada parede periodicamente ao longo da fita. Encontramos que para terraços de 100 nm a sequência de paredes com a mesma quiralidade é mais estável, requerendo um maior campo magnético externo para desfazer esta configuração das paredes. O terceiro sistema consiste de um filme de Ferro com espessura de 5 nm. Neste caso o acoplamento de interface com sinais opostos acontece devido à presença de defeitos com altura de uma monocamada AF, formando ilhas onde o acoplamento F/AF apresenta-se oposto as regiões subsequentes, estas ilhas se distribuem periodicamente ao longo de todo sistema. Este é um modelo para estudar rugosidade em interface F/AF. Fizemos um estudo de coercividade e deslocamento de histerese como função da distância entre as ilhas e do grau de rugosidade da interface AF. Observou-se uma relevante redução da coercividade à medida que a exposição das duas subredes do AF se iguala. E o deslocamento da histerese é proporcional ao acoplamento líquido com o substrato AF. Foi desenvolvido um modelo analítico que reproduz qualitativamente os resultados numéricos