Towards and ab initio description of magnetism in ionic solids

The physical contributions to the KNiF3 magnetic exchange coupling integral have been obtained from specially designed ab initio cluster model calculations. Three important mechanisms have been identified. These are the delocalization of the magnetic orbitals into the anion p band, the variational contribution of the second-order interactions, and the many-body terms hidden in the two-body operator and the Heisenberg Hamiltonian.

Ab initio theoretical comparative study of magnetic coupling in KNiF3 and K2NiF4s

The origin of magnetic coupling in KNiF3 and K2 NiF4 is studied by means of an ab initio cluster model approach. By a detailed study of the mapping between eigenstates of the exact nonrelativistic and spin model Hamiltonians it is possible to obtain the magnetic coupling constant J and to compare ab initio cluster-model values with those resulting from ab initio periodic Hartree-Fock calculations. This comparison shows that J is strongly determined by two-body interactions; this is a surprising and unexpected result. The importance of the ligands surrounding the basic metal-ligand-metal interacting unit is reexamined by using two different partitions and the constrained space orbital variation method of analysis. This decomposition enables us to show that this effect is basically environmental. Finally, dynamical electronic correlation effects have found to be critical in determining the final value of the magnetic coupling constant.

Antiferromagnetic exchange interactions from hybrid density functional theory

A hybrid theory which combines the full nonlocal ¿exact¿ exchange interaction with the local spin-density approximation of density-functional theory is shown to lead to marked improvement in the description of antiferromagnetically coupled systems. Semiquantitative agreement with experiment is found for the magnitude of the coupling constant in La2CuO4, KNiF3, and K2NiF4. The magnitude of the unpaired spin population on the metal site is in excellent agreement with experiment for La2CuO4.

High-Temperature magnetic ordering in a new organic magnet

Magnetization, heat capacity, and neutron diffraction experiments on the beta-phase of the dithiadiazolyl radical, p-NC.C6F4.CNSSN., provide conclusive evidence that this system exhibits noncollinear antiferromagnetism at 35.5 K, an unprecedented temperature for an organic radical. On the basis of magnetization and powder neutron diffraction results, coupled with theoretical calculations of the spin distribution within the molecule, a magnetic structure for this compound is proposed in which the interactions propagate through S . . .N contacts.

Long-range ferromagnetic dipolar ordering of high-spin molecular clusters

We report the first example of a transition to long-range magnetic order in a purely dipolarly interacting molecular magnet. For the magnetic cluster compound Mn6O4Br4(Et2dbm)6, the anisotropy experienced by the total spin S=12 of each cluster is so small that spin-lattice relaxation remains fast down to the lowest temperatures, thus enabling dipolar order to occur within experimental times at Tc=0.16 K. In high magnetic fields, the relaxation rate becomes drastically reduced and the interplay between nuclear- and electron-spin lattice relaxation is revealed.

Magnetic properties of an Fe/Cu granular multilayer

A Cu/Fe granular film, formed from a multilayer film and composed of particles of Fe imbedded in Cu, has had several of its important properties investigated. Measurements include ferromagentic resonance, magnetoresistance, Mössbauer effect, magnetic viscosity, and magnetization. The two‐phase behavior of these immiscible alloy systems, and the effect of multilayering on the shape of the magnetic precipitates, can explain some of these properties. An explanation of the ferromagnetic resonance line shape is proffered. An extraordinary macroscopic quantum tunneling effect is found to govern the magnetic relaxation at the lowest temperatures.

Quantum magnetic deflagration in Mn12 acetate

We report controlled ignition of magnetization reversal avalanches by surface acoustic waves in a single crystal of Mn12 acetate. Our data show that the speed of the avalanche exhibits maxima on the magnetic field at the tunneling resonances of Mn12. Combined with the evidence of magnetic deflagration in Mn12 acetate [Y. Suzuki et al., Phys. Rev. Lett. 95, 147201 (2005)], this suggests a novel physical phenomenon: deflagration assisted by quantum tunneling.

Reversible ferromagnetic switching in ZnO:(Co,Mn) powders

We report here on the magnetic properties of ZnO:Mn- and ZnO:Co-doped nanoparticles. We have found that the ferromagnetism of ZnO:Mn can be switched on and off by consecutive low-temperature annealings in O2 and N2, respectively, while the opposite phenomenology was observed for ZnO:Co. These results suggest that different defects (presumably n-type for ZnO:Co and p-type for ZnO:Mn) are required to induce a ferromagnetic coupling in each case. We will argue that ferromagnetism is likely to be restricted to a very thin, nanometric layer at the grain surface. These findings reveal and give insight into the dramatic relevance of surface effects to the occurrence of ferromagnetism in ZnO-doped oxides.

Magnetoresistance at artificial interfaces in the itinerant SrRuO3 ferromagnet

The magnetoresistance across interfaces in the itinerant ferromagnetic oxide SrRuO3 have been studied. To define appropriately the interfaces, epitaxial thin films have been grown on bicrystalline and laser-patterned SrTiO3 substrates. Comparison is made with results obtained on similar experiments using the double-exchange ferromagnetic oxide La2/3Sr1/3MnO3. It is found that in SrRuO3, interfaces induce a substantial negative magnetoresistance, although no traces of the low-field spin tunneling magnetoresistance are found. We discuss these results on the basis of the distinct degree of spin polarization in ruthenates and manganites and the different nature of the surface magnetic layer formed at interfaces.

Spin filtering through ferromagnetic BiMnO3 tunnel barriers

We report on experiments of spin filtering through ultrathin single-crystal layers of the insulating and ferromagnetic oxide BiMnO3 (BMO). The spin polarization of the electrons tunneling from a gold electrode through BMO is analyzed with a counterelectrode of the half-metallic oxide La2/3Sr1/3MnO3 (LSMO). At 3 K we find a 50% change of the tunnel resistances according to whether the magnetizations of BMO and LSMO are parallel or opposite. This effect corresponds to a spin-filtering efficiency of up to 22%. Our results thus show the potential of complex ferromagnetic insulating oxides for spin filtering and injection.

Ab initio theoretical comparative study of magnetic coupling in KNiF3 and K2NiF4s

The origin of magnetic coupling in KNiF3 and K2 NiF4 is studied by means of an ab initio cluster model approach. By a detailed study of the mapping between eigenstates of the exact nonrelativistic and spin model Hamiltonians it is possible to obtain the magnetic coupling constant J and to compare ab initio cluster-model values with those resulting from ab initio periodic Hartree-Fock calculations. This comparison shows that J is strongly determined by two-body interactions; this is a surprising and unexpected result. The importance of the ligands surrounding the basic metal-ligand-metal interacting unit is reexamined by using two different partitions and the constrained space orbital variation method of analysis. This decomposition enables us to show that this effect is basically environmental. Finally, dynamical electronic correlation effects have found to be critical in determining the final value of the magnetic coupling constant.

Síntesi i propietats de vidres metàl•lics massissos i materials nanocomposites basats en Fe per aplicacions com a materials magnètics tous

Estudi realitzat a partir d’una estada a l’ Institut für Komplexe Materialien, Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung Dresden, entre 2010 i 2011. S'ha explorat l'efecte de les condicions i influència dels elements d'aleació en la capacitat de formació de vidre, l'estructura i les propietats tèrmiques i magnètiques de vidres metàl•lics massissos i materials nanocristal•lins en base Fe. La producció d'aquests materials en forma de cintes de unes 20 micres de gruix ha estat àmpliament estudiada i s'ha vist que presenten unes propietats excel•lents com a materials magnètics tous. El propòsit general d'aquest projecte era l'obtenció de composicions òptimes amb alta capacitat de formar vidre i amb excel•lents propietats magnètiques com a materials magnètics tous combinat amb bones propietats mecàniques. El projecte prenia com a punt de partida l'aliatge [FeCoBSi]96Nb4 ja que és el que presenta millor capacitat de formar vidre i presenta una alta imantació de saturació i baix camp coercitiu. S'ha fet un estudi dels factors fonamentals que intervenen en la formació de l'estat vitri. La composició abans esmentada ha estat variada amb l'addició d'altres elements per estudiar com afecten aquests nous elements a les propietats, la formació de vidre i l'estructura dels aliatges resultants amb l'objectiu de millorar-ne les propietats magnètiques i la capacitat de formació de vidre. Entre altres s'ha usat el Zr, Mo, Y i el Gd per millorar la formació de vidre; i el Co i el Ni per millorar les propietats magnètiques a alta temperatura. S'han estudiat les relacions entre la capacitat de formació de vidre i la seva estabilitat tèrmica, la resistència a la cristal•lització i la estructura de l'aliatge resultant després del procés de solidificació. Per aquest estudi s'han determinat els mecanismes que controlen la transformació i la seva cinètica així com les fases que es formen durant el tractament tèrmic permetent la formulació de models predictius.

Nanopartícul·les core-shell estabilitzades en polímer amb propietats calítiques i bactericides medioambientalment segure

Aquest projecte de doctorat és un treball interdisciplinari adreçat a l’obtenció de nous nanocompòsits (NCs) funcionals sintetitzats a partir de materials polimèrics bescanviadors d’ions que són modificats amb nanopartícules metàl•liques (NPMs) de diferent composició. Els materials desenvolupats s’avaluen en funció de dues possibles aplicacions: 1) com a catalitzadors de reaccions orgàniques d’interès actual (NCs basats en pal•ladi) i, 2) la seva dedicació a aplicacions bactericides en el tractament d’aigües domèstiques o industrials (NCs basats en plata). El desenvolupament de nanomaterials és de gran interès a l’actualitat donades les seves especials propietats, l’aprofitament de les quals és la força impulsora per a la fabricació de nous NCs. Les nanopartícules metàl•liques estabilitzades en polímer (Polymer Stabilized Metal Nanoparticles, PSNPM) s’han preparat mitjançant la tècnica in-situ de síntesi intermatricial (Inter-matrix synthesis, IMS) que consisteix en la càrrega seqüencial dels grups funcionals de les matrius polimèriques amb ions metàl•lics, i la seva posterior reducció química dins de la matriu polimèrica de bescanvi iònic. L’estabilització en matrius polimèriques evita l’agregació entre elles (self-aggreagtion), un dels principals problemes coneguts de les NPs. Pel desenvolupament d’aquesta metodologia, s’han emprat diferents tipus de matrius polimèriques de bescanvi iònic: membrana Sulfonated PolyEtherEtherKetone, SPEEK, així com fibres sintètiques basades en polypropilè amb diferents tipus de grups funcionals, que ens permeten el seu ús com a filtres en la desinfecció de solucions aquoses o com a material catalitzador. Durant el projecte s’ha anat avançant en l’optimització del material nanocomposite final per a les aplicacions d’interès, en quant activitat i funcionalitat de les nanopartícules i estabilitat del nanocomposite. Així, s’ha optimitzat la síntesi de NPs estabilitzades en resines de bescanvi iònic, realitzant un screening de diferents tipus de resines i la seva avaluació en aplicacions industrials d’interès.

Sintesi i caracteritzacio dels materials multiferroics BiFeO3, La: BiFeO3 i Sr: BiFeO3

Recentment, ha crescut un notable interès pels materials multiferroics (o materials que presenten simultàniament propietats elèctriques i magnètiques), a causa de les seves múltiples aplicacions, sobretot en el camp de l"electrònica. Aquest article pretén donar a conèixer els materials multiferroics, tant des del punt de vista de la física fonamental com de la química de l"estat sòlid. Tanmateix, es presentarà un dels materials multiferroics actualment més estudiats i s"exposaran els detalls de la seva síntesi i caracterització habituals en la química de l"estat sòlid.