¿Es posible simular ciclos de histéresis con spin-lattice dynamics?

DOS SANTOS, GONZALO; ROMÁ, FEDERICO; TRANCHIDA, JULIEN; BRINGA, EDUARDO M.

Bariloche

Congreso; 107° Reunión Anual de Física, A.F.A.; 2022

Las diferentes respuestas de materiales magnéticos ante el estímulo de un campo externo definen en gran parte el rango de aplicabilidad de dichos materiales en diferentes campos tecnológicos, bio-medicinales, etc. En particular, las curvas de histéresis son cruciales, por ejemplo, en hipertermia magnética ya que representan una medida de la capacidad de disipar calor de un determinado material o nanoestructura. En este sentido es importante contar con métodos de simulación confiables, que permitan explicar e incluso guiar experimento a partir del modelado de efectos magnéticos a escala atómica. En esta línea, se encuentra el método de simulación conocido como Spin-Lattice Dynamics (SLD). Este enfoque es un método semiclásico de dinámica molecular acoplado a dinámica de spin que permite simular la evolución simultánea y de manera acoplada de los grados de libertad de los spines y de los átomos de la red. El principal objetivo del presente trabajo es determinar si es posible (y bajo qué condiciones) simular fehacientemente ciclos de histéresis utilizando SLD, intentando finalmente sentar las bases para este tipo de simulaciones. Simulamos ciclos de histéresis en Fe “bulk” a diferentes temperaturas para varios ángulos entre el campo magnético externo y el eje “fácil” de anisotropía. Exploramos el efecto de diversos parámetros tanto físicos como computacionales tales como, la frecuencia del campo, el valor del “damping” de Gilbert, la magnitud y el tipo de la anisotropía (cúbica, uniaxial), la intensidad del acoplamiento spin-spin, la temperatura, el tamaño del sistema y el acoplamiento o no de la dinámica de la red de átomos a la dinámica de los spines. Encontramos que el tipo de anisotropía y el acoplamiento spin-spin tienen poco efecto sobre las curvas de histéresis. Sin embargo, la frecuencia del campo externo aplicado y el valor del “damping” de Gilbert tienen un efecto sustancial. Nuestros resultados indican en general que, una cuidadosa selección de parámetros permite obtener ciclos de histéresis con SLD que muestran un excelente acuerdo con el modelo semianalítico de Stoner-Wohlfarth a bajas temperaturas. A dichas temperaturas encontramos que el acoplamiento o no de los grados de libertad de la red a la dinámica de los spines no tiene influencia apreciable en el campo coercitivo obtenido. Sin embargo, al aumentar la temperatura observamos que el campo coercitivo se ve notoriamente afectado por la inclusión de la dinámica acoplada de SLD.