Frustración en pelı́culas magnéticas acopladas debido a la competencia entre interacciones de intercambio y dipolares

M. A. BAB; P. S. PAGLIARO; J. J. MELO QUINTERO; G. P. SARACCO

Taller; XVIII Taller Regional de Fisica Estadistica y Aplicaciones a la Materia Condensada; 2021

La observación experimental de dominios modulados tipo bandas de espines alternados en pelı́culasferromagnéticas delgadas ha sido reportada cuando existe una componente de la anisotropı́a perpendicular a la pelı́cula y se cumple Q = K/(2πM s 2 ) > 1 , donde K es la constante de anisotropı́a perpendicular. y 2πMs 2 es la anisotropı́a de forma con Ms la magnetización de saturación. En el caso de que Q < 1, una transición de reorientación de un estado de magnetización planar al modulado se produce por encimade un espesor crı́tico, el cual varı́a entre decenas y cientos de nanómetros dependiendo del valor de Q.El caso de pelı́culas fuertemente anisotrópicas (Q > 1) ha sido modelado mediante el modelo de Ising ferromagnético bidimensional con interacciones dipolares. La incorporación del término dipolar introducefrustración, cuyo origen no es el desorden en las constantes de intercambio o la estructura sino la competencia entre interacciones. Esto rompe el orden ferromagnético y lleva a estructuras de dominios conmagnetización nula. El diagrama de fases en su mayor parte ha sido determinado por simulaciones Monte Carlo e incluye a bajas temperaturas las fases antiferromagnética y de franjas de ancho h = n, donde n se incrementa con la relación entre las constantes de intercambio y dipolar (δ = J/g). A temperaturas altas se producen transiciones hacia la fase tetragonal lı́quida (TL), ya sea en forma directa o a través de una fase intermedia nemática (NM), las cuales pueden ser de primer orden, continuas o topológicas de Kosterlitz-Thouless dependiendo del valor del parámetro δ. Centrando la atención en los sistemas multicapas, los efectos de las interacciones entre capas magnéticas llevan, entre otras cosas, a estructurasde dominios modulados tipo bandas superpuestas. Cuando las pelı́culas ferromagnéticas con anisotropı́a perpendicular son separadas por una no-magnética, el acoplamiento de intercambio oscila entre ferromagnético y antiferromagnético dependiendo del espesor de la pelı́cula no-magnética. En este trabajo sesimuló una pelı́cula magnética multicapa constituida por dos capas ferromagnéticas caracterizadas poruna fuerte anisotropı́a perpendicular a su plano, separadas por una capa no-magnética. Se planteó un modelo de espines tipo Ising que incluye interacciones de intercambio ferromagnéticas (J1 = 1, J2 = 2)y dipolares (g1 = g2 = 1) dentro de cada capa y un acoplamiento a primeros vecinos (J12 ) que varió entre ferro y antiferromagnético. Esto último tiene como objetivo emular diferentes espesores de la capano-magnética intermedia. La constante dipolar entre capas magnéticas fue fijada en g12= 0, lo cual implica considerar un campo disperso nulo como consecuencia del carácter bidimensional del modelo.La evolución dinámica hacia los estados de equilibrio, correspondientes a cada T, se realizó mediante simulaciones Monte Carlo utilizando el algoritmo Metrópolis y condiciones periódicas de contorno usando suma de Ewald. Para valores de |J12 | ≤ (J1 + J2 )/2 el estado fundamental de la pelı́cula multicapa se correspondió en cada capa magnética con aquel de la monocapa con constante de intercambio J2 , pero acopladas ferro o antiferromagneticamente dependiendo del signo de J12 . A temperaturas altas, las bandas se desordenan presentando una transición con ruptura del orden orientacional, TL, como en el caso de las monocapas. En el caso |J12 | = (J1 + J2 )/2, la transición ocurre a través de una faseintermedia de bandas que se corresponde con la de la monocapa con constante J 1 = 1. Desde el estudio de la evolución dinámica en el régimen de tiempos cortos a cada temperatura, partiendo de las configuraciones correspondientes al estado fundamental y el paramagnético, se caracterizaron las transiciones de fase para cada conjunto de valores J12 , J1 y J2 , centrando la atención en la estabilidad térmica de las fases obtenidas. Los resultados serán discutidos en términos de su relación con el comportamiento de las monocapas.