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

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

Otro; 107a Reunión de la Asociación Física Argentina; 2022

En este trabajo se estudió un sistema de nanopartículas (NP) monodispersas ubicadas alazar en una matriz no-magnética sólida constituyendo una película. Las NPs se consideranesféricas y se encuentran fijas impedidas de rotar en celdas cúbicas de lado igual a sudiámetro, el cual definió a su vez el grosor de la película. Esta condición determina quelos 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 unatransición de fase, ya que el sistema no está en equilibrio termodinámico, aunque es útilhacer esta analogía en términos de la aparición o no de un ciclo de histéresis. Para iniciar lasimulación, se rotaron inicialmente a todas las partículas en sus celdas, tal que sus ejes deanisotropía apuntasen en la misma dirección, y a continuación se las dejaron fijas con el finde medir la evolución de la orientación de sus supermomentos con respecto a la direccióndel campo magnético externo. Éste se alinea con alguno de los ejes paralelo al plano de lapelícula que contiene a las partículas, y se estudiaron por separado el caso donde el eje deanisotropía es paralelo al mismo, y el caso en el que son perpendiculares entre sí. Se utilizó elmodelo de Stoner-Wohlfarth (SW) con interacciones dipolares para describir el hamiltonianodel sistema, teniendo en cuenta que la evolución temporal debe ser suficientemente largapara ver los efectos deseados, pero no tanto como para que el sistema evolucione al estadode equilibrio, SPM. Se obtuvieron los ciclos de histéresis a partir de simulaciones MonteCarlo para distintas densidades de las partículas y a distintas temperaturas. La evoluciónde la orientación de los supermomentos fue restringida a un ángulo sólido determinadopor T (mayor a mayores T). A densidades y temperaturas bajas, se recuperaron las curvasdescritas por el modelo de SW (sin interacciones entre las partículas), el cual puede serresuelto analíticamente. Se observó con el incremento de la intensidad de las interaccionesdipolares 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 deéstos, se obtuvieron el campo coercitivo y la magnetización de remanencia en función dela densidad, a distintas temperaturas. Para analizar cómo la bidimensionalidad del arregloafecta las condiciones en las que estas interacciones se dan, al disminuir la cantidad devecinos por partícula, los resultados obtenidos serán comparados con resultados previos del caso tridimensional de una caja cúbica.