Structural and Microanalytical Studies of CrO2 Thin Films on c-Sapphire by High Resolution Electron Microscopy Methods

Chromium dioxide (CrO2) has been extensively used in the magnetic recording industry. However, it is its ferromagnetic half-metallic nature that has more recently attracted much attention, primarily for the development of spintronic devices. CrO2 is the only stoichiometric binary oxide theoretically predicted to be fully spin polarized at the Fermi level. It presents a Curie temperature of ∼ 396 K, i.e. well above room temperature, and a magnetic moment of 2 mB per formula unit. However an antiferromagnetic native insulating layer of Cr2O3 is always present on the CrO2 surface which enhances the CrO2 magnetoresistance and might be used as a barrier in magnetic tunnel junctions.

Depth profile of uncompensated spins in an exchange bias system

We have used the unique spatial sensitivity of polarized neutron and soft x-ray beams in reflection geometry to measure the depth dependence of magnetization across the interface between a ferromagnet and an antiferromagnet. The net uncompensated magnetization near the interface responds to applied field, while uncompensated spins in the antiferromagnet bulk are pinned, thus providing a means to establish exchange bias.

Asymmetric reversal in inhomogeneous magnetic heterostructures

Asymmetric magnetization reversal is an unusual phenomenon in antiferromagnet/ferromagnet (AF/FM) exchange biased bilayers. We investigated this phenomenon in a simple model system experimentally and by simulation assuming inhomogeneously distributed interfacial AF moments. The results suggest that the observed asymmetry originates from the intrinsic broken symmetry of the system, which results in local incomplete domain walls parallel to the interface in reversal to negative saturation of the FM. The magneto-optical Kerr effect unambiguously confirms such an asymmetric reversal and a depth-dependent FM domain wall in accord with the magnetometry and simulations.

Quantum tunneling of domain walls in ferromagnets

We present a theoretical study of the quantum depinning of domain walls. Our approach extends earlier work by Stamp and confirms his suggestion that quantum tunneling of domain walls in ferromagnets may reveal itself at a macroscopic level in a manner similar to the Josephson effect in superconductors. The rate of tunneling of a domain wall through a barrier formed by a planar defect is calculated in terms of macroscopic parameters of the ferromagnet. A universal behavior of the WKB exponent in the limit of small barriers is demonstrated. The effect of dissipation on the tunneling rate is studied. It is argued that quantum diffusion of domain walls apparently explains a nonthermal magnetic relaxation observed in some materials at low temperatures.

Ab Initio study of magnetic interactions in the KCuF3 and K2CuF4 low-dimensional Systems

The ab initio cluster model approach has been used to study the electronic structure and magnetic coupling of KCuF3 and K2CuF4 in their various ordered polytype crystal forms. Due to a cooperative Jahn-Teller distortion these systems exhibit strong anisotropies. In particular, the magnetic properties strongly differ from those of isomorphic compounds. Hence, KCuF3 is a quasi-one-dimensional (1D) nearest neighbor Heisenberg antiferromagnet whereas K2CuF4 is the only ferromagnet among the K2MF4 series of compounds (M=Mn, Fe, Co, Ni, and Cu) behaving all as quasi-2D nearest neighbor Heisenberg systems. Different ab initio techniques are used to explore the magnetic coupling in these systems. All methods, including unrestricted Hartree-Fock, are able to explain the magnetic ordering. However, quantitative agreement with experiment is reached only when using a state-of-the-art configuration interaction approach. Finally, an analysis of the dependence of the magnetic coupling constant with respect to distortion parameters is presented.

Étude du champ magnétique interne de deux matériaux magnétiques et d'un supraconducteur sans symétrie d'inversion.

Cette thèse est divisée en trois parties. Une première section présente les résultats de l'étude de la formation de polarons magnétiques liés (BMP) dans le ferroaimant EuB6 par diffusion de neutrons à petits angles (SANS). La nature magnétique du système ferromagnétique est observée sous une température critique de 15K. La signature des BMP n'apparaît pas dans la diffusion de neutrons, mais ces mesures permettent de confirmer une limite inférieure de 100\AA à la longueur de cohérence des BMP (xi_{Lower}). Dans un second temps, l'étude du LaRhSi3, un supraconducteur sans symétrie d'inversion, par muSR et ZF-muSR nous permet de sonder le comportement magnétique du système dans la phase supraconductrice. Aucun champ magnétique interne n'a été détecté en ZF-muSR sous la température critique (T_c = 2.2K). Cela indique que la phase supraconductrice ne porte pas de moment cinétique intrinsèque. L'analyse du spectre d'asymétrie sous l'application d'un champ magnétique externe nous apprend que le système est faiblement type II par l'apparition de la signature de domaines magnétiques typique d'un réseau de vortex entre H_{c1}(0) et H_{c2}(0), respectivement de 80+/- 5 et 169.0 +/- 0.5 G. Finalement, la troisième section porte sur l'étude du champ magnétique interne dans l'antiferroaimant organique NIT-2Py. L'observation d'une dépendance en température des champs magnétiques internes aux sites d'implantation muonique par ZF-muSR confirme la présence d'une interaction à longue portée entre les moments cinétiques moléculaires. Ces valeurs de champs internes, comparées aux calculs basés sur la densité de spins obtenue par calculs de la théorie de la fonctionnelle de la densité, indiquent que la moitié des molécules se dimérisent et ne contribuent pas à l'ordre antiferromagnétique. La fraction des molécules contribuant à l'ordre antiferromagnétique sous la température critique (T_c = 1.33 +/- 0.01K) forme des chaines uniformément polarisées selon l'axe (1 0 -2). Ces chaines interagissent antiferromagnétiquement entre elles le long de l'axe (0 1 0) et ferromagnétiquement entre les plan [-1 0 2].

Ab Initio study of magnetic interactions in the KCuF3 and K2CuF4 low-dimensional Systems

The ab initio cluster model approach has been used to study the electronic structure and magnetic coupling of KCuF3 and K2CuF4 in their various ordered polytype crystal forms. Due to a cooperative Jahn-Teller distortion these systems exhibit strong anisotropies. In particular, the magnetic properties strongly differ from those of isomorphic compounds. Hence, KCuF3 is a quasi-one-dimensional (1D) nearest neighbor Heisenberg antiferromagnet whereas K2CuF4 is the only ferromagnet among the K2MF4 series of compounds (M=Mn, Fe, Co, Ni, and Cu) behaving all as quasi-2D nearest neighbor Heisenberg systems. Different ab initio techniques are used to explore the magnetic coupling in these systems. All methods, including unrestricted Hartree-Fock, are able to explain the magnetic ordering. However, quantitative agreement with experiment is reached only when using a state-of-the-art configuration interaction approach. Finally, an analysis of the dependence of the magnetic coupling constant with respect to distortion parameters is presented.

Fernsteuerung superparamagnetischer Partikel und Charakterisierung von Magnetkraftmikroskopiespitzen in externen Magnetfeldern mit magnetisch strukturierten Substraten

Die Ionenbeschussinduzierte magnetische Strukturierung (engl.: Ion Bombardment Induced Magnetic Patterning – IBMP) beinhaltet den Beschuss austauschverschobener Ferromagnet/Antiferromagnet-Schichtsysteme mit niederenergetischen Heliumionen durch eine lithographisch erstellte Lackmaske, die die Ionen nur in den gewünschten Bereichen zum Schichtsystem vordringen lässt. Damit können Richtung und Stärke der Austauschverschiebung (engl.: Exchange Bias – EB) lokal beschränkt beeinflusst werden und es entstehen, in Remanenz stabile, magnetische Muster. Nach Entfernen der Resistmaske ist die Probe ohne topographische Kontraste. Bisher konnten mit dieser Methode Strukturen bis zu einer minimalen Größen von 500nm nachgewiesen werden. Diese Methode und zwei Anwendungsmöglichkeiten der IBMP werden in dieser Arbeit dargelegt: Die Interpretation von Magnetkraftmikroskopieaufnahmen im externen Magnetfeld erweist sich als problematisch, wenn die Richtung des äußeren Magnetfeldes senkrecht zum magnetischen Moment der MFM-Spitze steht und dieses unvermeidlich auch beeinflusst. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wird die Tauglichkeit von topographisch flachen magnetischen Strukturen als Kalibrierproben für Magnetkraftmikroskopiesonden nachgewiesen. Die Magnetisierung solcher Proben ist in gewissem Rahmen unabhängig vom externen Magnetfeld. Daraus folgt, dass Veränderungen der magnetkraftmikroskopischen Aufnahmen in diesem Feldbereich allein auf Modifikationen des Magnetisierungszustandes der Spitze zurückzuführen sind. Anhand eines Modells nach sollen die Streufelder über der Probe modelliert und eine Quantifizierung dieser Einflüsse ermöglicht werden. Im Weiteren wird die gezielte Beeinflussung superparamagnetischer Nano- und Mikropartikel durch die künstlichen Streufelder über den Proben gezeigt. Dabei lag das Augenmerk zum Einen auf der gezielten Positionierung der Kolloide durch geeignete Wahl der künstlichen Domänenmuster und zum Anderen auf der ferngesteuerten Bewegung mittels geschickter Kombination eines externen Magnetfeldgradienten zusätzlich zu den magnetischen Streufeldern der Probe. Ein großes Hemmnis bei ähnlichen Anwendungen mit stromdurchflossenen Leiterbahnen sind die Erwärmung der Probe sowie die Zerstörung der Strukturen durch Elektromigration. Diese Erschwernisse können mit den in der vorliegenden Arbeit genutzten künstlichen magnetischen Strukturen, die sich durch externe Magnetfelder abschalten lassen und in Remanenz wieder erscheinen, elegant umgangen werden.

Magneto-optische Oberflächenplasmonresonanzeffekte in austauschverschobenen Dünnschichtsystemen

Die Wechselwirkungen zwischen Biomolekülen spielen eine zentrale Rolle in der biochemischen und pharmazeutischen Forschung. In der biomolekularen Interaktionsanalyse sind dabei Biosensoren auf Basis des Oberflächenplasmonresonanzeffekts (SPR-Effekt) weitverbreitet. Seit Einführung der ersten kommerziellen SPR-Biosensoren Anfang der 1990er Jahre wurden verschiedenste Messanordnungen sowie Materialsysteme mit dem Ziel einer möglichst hohen Empfindlichkeit getestet. Eine Möglichkeit zur Steigerung der Empfindlichkeit klassischer SPR-Systeme bieten sogenannte magneto-optische SPR-Biosensoren (MOSPR-Biosensoren). Grundlage der Empfindlichkeitssteigerung ist die gleichzeitige Messung des SPR-Effekts und des transversalen magneto-optischen KERR-Effekts (tMOKE). Bisherige Untersuchungen haben sich meist auf den Einfluss der Magnetisierung freier ferromagnetischer Schichten beschränkt. Im Rahmen dieser Arbeit wurden erstmals austauschverschobene Dünnschichtsysteme (EB-Systeme), eine Kombination aus Ferromagnet und Antiferromagnet, hinsichtlich ihrer Eignung für SPR- und MOSPR-basierte biosensorische Anwendungen untersucht. Aufgrund der remanenten Magnetisierung der ferromagnetischen Schicht und ihrer magnetischen Strukturierbarkeit sind EB-Systeme eine hochinteressante Plattform zur Realisierung neuer Biosensorkonzepte. Zur Reduzierung der stark dämpfendenden Wirkung magnetischer Materialien wurde das hier betrachtete IrMn/Co EB-System zwischen zwei Goldschichten eingebettet. Eine Gegenüberstellung optimierter Au/ IrMn/Co/Au-Systeme mit einem reinen Au-System, wie es typischerweise in kommerziellen SPR-basierten Biosensoren eingesetzt wird, demonstriert, dass mit den entwickelten EB-Systemen vergleichbare Empfindlichkeiten in SPR-Sensor-Anwendungen erreicht werden können. Die magneto-optische Aktivität der untersuchten Dünnschichtsysteme liegt im Bereich der Literaturwerte für Au/Co/Au-Systeme, mit denen erhöhte Empfindlichkeiten gegenüber Standard-SPR-Biosensoren realisiert wurden. Auf Grundlage magnetisch strukturierter Au/IrMn/Co/Au-Systeme wurden neue Biosensorkonzepte entwickelt und getestet. Erste Experimente belegen, dass mit diesen Schichtsystemen eine gleichzeitige Detektion der magnetisierungsabhängigen Reflektivitäten in ortsauflösenden MOSPR-Messungen möglich ist. Eine solche Messanordnung profitiert von der erhöhten Empfindlichkeit MOSPR-basierter Biosensoren, hohen Messgeschwindigkeiten und einem verbesserten Signal-Rausch-Verhältnis. Weiterhin wurde der domänenwandassistierte Transport (DOWMAT) superparamagnetischer Partikel über der Oberfläche eines exemplarischen EB-Systems, zur Sensorintegration von Misch-, Reinigungs- und Aufkonzentrationsfunktionen erfolgreich getestet. Die Ergebnisse demonstrieren, dass ein Transport von Partikelreihen mit hohen Geschwindigkeiten bei moderaten externen Magnetfeldern über den entwickelten Schichtsystemen möglich ist. Die Agglomeration der Partikel wird dabei intrinsisch vermieden. Diese Beobachtungen verdeutlichen die Vorzüge des DOWMAT-Mechanismus für biosensorische Anwendungen. Die präsentierten Untersuchungen bilden die Grundlage auf dem Weg zur Umsetzung neuer vielversprechender Biosensorkonzepte, die eine Schlüsselfunktion in der medizinischen point-of-care-Diagnostik bei der Detektion kleinster Konzentrationen krankheitsrelevanter Biomarker einnehmen können.

Observation of two-magnon bound states in the spin-1 anisotropic Heisenberg antiferromagnetic chain system NiCl2-4SC(NH2)(2)

Results of systematic tunable-frequency ESR studies of the spin dynamics in NiCl2-4SC(NH2)(2) (known as DTN), a gapped S = 1 chain system with easy-plane anisotropy dominating over the exchange coupling (large-D chain), are presented. We have obtained direct evidence for two-magnon bound states, predicted for S = 1 large-D spin chains in the fully spin-polarized (FSP) phase. The frequency-field dependence of the corresponding excitations was calculated using the set of parameters obtained earlier [S.A. Zvyagin, et al., Phys. Rev. Lett. 98 (2007) 047205]. Very good agreement between the calculations and the experiment was obtained. It is argued that the observation of transitions from the ground to two-magnon bound states might indicate a more complex picture of magnetic interactions in DTN, involving a finite in-plane anisotropy. (C) 2007 Elsevier B.V. All rights reserved.

Perpendicular exchange bias in IrMn/Pt/[Co/Pt](3) multilayers with cone magnetization

The perpendicular exchange bias and magnetic anisotropy were investigated in IrMn/Pt/[Co/Pt](3) multilayers through the analysis of in-plane and out-of-plane magnetization hysteresis loops. A phenomenological model was used to simulate the in-plane curves and the effective perpendicular anisotropies were obtained employing the area method. The canted state anisotropy was introduced by taking into account the first and second uniaxial anisotropy terms of the ferromagnet with the corresponding uniaxial anisotropy direction allowed to make a nonzero angle with the film`s normal. This angle, obtained from the fittings, was of approximately 15 degrees for IrMn/[Co/Pt](3) film and decreases with the introduction of Pt in the IrMn/Pt/[Co/Pt](3) system, indicating that the Pt interlayer leads to a predominant perpendicular anisotropy. A maximum of the out-of-plane anisotropy was found between 0.5 and 0.6 nm of Pt, whereas a maximum of the perpendicular exchange bias was found at 0.3 nm. These results are very similar to those obtained for IrMn/Cu/[Co/Pt](3) system; however, the decrease of the exchange bias with the spacer thickness is more abrupt and the enhacement of the perpendicular anisotropy is higher for the case of Cu spacer as compared with that of Pt spacer. The existence of a maximum in the perpendicular exchange bias as a function of the Pt layer thickness was attributed to the predominance of the enhancement of exchange bias due to more perpendicular Co moment orientation over the exponential decrease of the ferromagnetic/antiferromagnetic exchange coupling and, consequently, of the exchange-bias field. (C) 2011 Elsevier B.V. All rights reserved.

Não-extensividade em percolação por ligações de longo - alcance

A linear chain do not present phase transition at any finite temperature in a one dimensional system considering only first neighbors interaction. An example is the Ising ferromagnet in which his critical temperature lies at zero degree. Analogously, in percolation like disordered geometrical systems, the critical point is given by the critical probability equals to one. However, this situation can be drastically changed if we consider long-range bonds, replacing the probability distribution by a function like . In this kind of distribution the limit α → ∞ corresponds to the usual first neighbor bond case. In the other hand α = 0 corresponds to the well know "molecular field" situation. In this thesis we studied the behavior of Pc as a function of a to the bond percolation specially in d = 1. Our goal was to check a conjecture proposed by Tsallis in the context of his Generalized Statistics (a generalization to the Boltzmann-Gibbs statistics). By this conjecture, the scaling laws that depend with the size of the system N, vary in fact with the quantitie

Polaritons em materiais magnéticos nanoestruturados

In this work we present a theoretical study about the properties of magnetic polaritons in superlattices arranged in a periodic and quasiperiodic fashíons. In the periodic superlattice, in order to describe the behavior of the bulk and surface modes an effective medium approach, was used that simplify enormously the algebra involved. The quasi-periodic superlattice was described by a suitable theoretical model based on a transfer-matrix treatment, to derive the polariton's dispersion relation, using Maxwell's equations (including effect of retardation). Here, we find a fractal spectra characterized by a power law for the distribution of the energy bandwidths. The localization and scaling behavior of the quasiperiodic structure were studied for a geometry where the wave vector and the external applied magnetic field are in the same plane (Voigt geometry). Numerical results are presented for the ferromagnet Fe and for the metamagnets FeBr2 and FeCl2

Magnetoresistance and transistor-like behavior of a double quantum-dot via crossed Andreev reflections

The electric current and the magnetoresistance effect are studied in a double quantum-dot system, where one of the dots QD(a) is coupled to two ferromagnetic electrodes (F-1; F-2), while the second QD(b) is connected to a superconductor S. For energy scales within the superconductor gap, electric conduction is allowed by Andreev reflection processes. Due to the presence of two ferromagnetic leads, non-local crossed Andreev reflections are possible. We found that the magnetoresistance sign can be changed by tuning the external potential applied to the ferromagnets. In addition, it is possible to control the current of the first ferromagnet (F-1) through the potential applied to the second one (F-2). We have also included intradot interaction and gate voltages at each quantum dot and analyzed their influence through a mean field approximation. The interaction reduces the current amplitudes with respect to the non-interacting case, but the switching effect still remains as a manifestation of quantum coherence, in scales of the order of the superconductor coherence length. (C) 2012 American Institute of Physics. [http://dx.doi.org/10.1063/1.4723000]

Estudo da interação entre camadas de super-redes supercondutor/isolante/ferromagneto

Pós-graduação em Ciência e Tecnologia de Materiais - FC