Estudio de la respuesta magnética de un sistema de nanopartículas monodominio según la densidad a distintas temperaturas a partir del método Monte Carlo

C. SOPRANO; G. P. SARACCO; M. A. BAB

Bariloche

Congreso; 107° Reunión de la Asociación Física Argentina; 2022

En este trabajo se estudió un sistema de nanopartículas (NP) monodispersas ubicadas al azar en una matriz no-magnética sólida constituyendo una película. Las NPs se consideran esféricas y se encuentran fijas impedidas de rotar en celdas cúbicas de lado igual a su diámetro, el cual definió a su vez el grosor de la película. Esta condición determina que los procesos de relajación a considerar corresponden a Néel. La aproximación de partículas esféricas permite definir una única dirección preferencial de magnetización, dada por las condiciones intrínsecas de anisotropía del material (en este caso, se estudiaron hierro y magnetita), y las contribuciones superficiales y de forma. En los tamaños considerados, los momentos magnéticos de los átomos que conforman las NPs se arreglan en un monodominio magnético y se espera que roten coherentemente entre sí, con lo cual puede considerarse que cada NP posee un supermomento magnético, que sería análogo al espín en el caso de un arreglo de átomos magnéticos. El efecto de la anisotropía de la NP sobre los supermomentos es la aparición de un estado "bloqueado", en el que las nanopartículas se comportan de manera análoga a los espines de un material ferromagnético, alineándose en la dirección del eje de anisotropía o eje fácil, con lo cual se observa un ciclo de histéresis frente a la acción de un campo magnético. Este bloqueo sin embargo es un estado fuera de equilibrio cuya observación depende del tiempo de medición y el de relajación el cual depende de la temperatura (T). Con el incremento de T, las NPs se van orientando aleatoriamente a favor o en contra del eje de anisotropía, y luego a una dada T se aprecia más bien un estado análogo al que presentan los espines en un material paramagnético (se le llamasuperparamagnético en este caso, o SPM). Es importante notar que no se trata de una transición de fase, ya que el sistema no está en equilibrio termodinámico, aunque es útil hacer esta analogía en términos de la aparición o no de un ciclo de histéresis. Para iniciar la simulación, se rotaron inicialmente a todas las partículas en sus celdas, tal que sus ejes de anisotropía apuntasen en la misma dirección, y a continuación se las dejaron fijas con el fin de medir la evolución de la orientación de sus supermomentos con respecto a la dirección del campo magnético externo. Éste se alinea con alguno de los ejes paralelo al plano de la película que contiene a las partículas, y se estudiaron por separado el caso donde el eje de anisotropía es paralelo al mismo, y el caso en el que son perpendiculares entre sí. Se utilizó el modelo de Stoner-Wohlfarth (SW) con interacciones dipolares para describir el hamiltoniano del sistema, teniendo en cuenta que la evolución temporal debe ser suficientemente larga para ver los efectos deseados, pero no tanto como para que el sistema evolucione al estado de equilibrio, SPM. Se obtuvieron los ciclos de histéresis a partir de simulaciones Monte Carlo para distintas densidades de las partículas y a distintas temperaturas. La evolución de la orientación de los supermomentos fue restringida a un ángulo sólido determinado por T (mayor a mayores T). A densidades y temperaturas bajas, se recuperaron las curvas descritas por el modelo de SW (sin interacciones entre las partículas), el cual puede ser resuelto analíticamente. Se observó con el incremento de la intensidad de las interacciones dipolares la aparición de escalones de magnetización constante en los ciclos de histéresis, los cuales son compatibles con la aparición de mínimos locales de la energía. A partir de éstos, se obtuvieron el campo coercitivo y la magnetización de remanencia en función de la densidad, a distintas temperaturas. Para analizar cómo la bidimensionalidad del arreglo afecta las condiciones en las que estas interacciones se dan, al disminuir la cantidad de vecinos por partícula, los resultados obtenidos serán comparados con resultados previos del caso tridimensional de una caja cúbica.