Πατσόπουλος Αριστοτέλης ΕΘΝΙΚΟ ΚΑΙ ΚΑΠΟΔΙΣΤΡΙΑΚΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΑΘΗΝΩΝ   ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ   ΤΟΜΕΑΣ ΦΥΣΙΚΗΣ ΣΤΕΡΕΑΣ ΚΑΤΑΣΤΑΣΗΣ ΦΑΙΝΟΜΕΝΟ ΠΟΛΩΣΗΣ-ΑΝΤΑΛΛΑΓΗΣ ΚΑΙ ΔΥΝΑΜΙΚΗ ΤΩΝ ΜΑΓΝΗΤΙΚΩΝ ΤΟΙΧΩΜΑΤΩΝ ΣΕ ΝΑΝΟΣΥΡΜΑΤΑ ΜΟΡΦΟΛΟΓΙΑΣ ΠΥΡΗΝΑ/ΦΛΟΙΟΥ Πατσόπουλος Αριστοτέλης Αθήνα 2016

ΔΙΑΓΡΑΜΜΑ ΠΑΡΟΥΣΙΑΣΗΣ ΕΙΣΑΓΩΓΗ Γιατί Μαγνητικά Νανοσύρματα (ΜΝΣ)? Γιατί Φαινόμενο Πόλωσης-Ανταλλαγής (ΦΠΑ)? Κεντρική ιδέα: Μελέτη του ΦΠΑ ΣΕ ΜΝΣ. ΦΑΙΝΟΜΕΝΟΛΟΓΙΑ Συλλογές Νανοσυρμάτων-Νανοσωλήνων Βρόχος Υστέρησης και ΦΠΑ ΜΟΝΤΕΛΟΠΟΙΗΣΗ Ατομική Δομή ΜΝΣ Μέθοδος προσομοίωσης ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ Φαινομενολογική μελέτη Μικροσκοπική μελέτη ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ

ΓΙΑΤΙ «ΜΟΝΟΔΙΑΣΤΑΤΕΣ» ΜΑΓΝΗΤΙΚΕΣ ΝΑΝΟΔΟΜΕΣ (νανοσύρματα, νανοσωλήνες…)? Τεχνολογικό ενδιαφέρον Επιμήκη Νανοσωματίδια: Υλικά υψηλής ανισοτροπίας (ανισοτροπία σχήματος) : Μέσα μαγνητικής αποθήκευσης Βιοϊατρικές εφαρμογές (πχ υπερθερμία) Φαινόμενο Πόλωσης-Ανταλλαγής (ΦΠΑ): Μέσο διαμόρφωσης των χαρακτηριστικών υστέρησης των μαγνητικών νανοδομών Πρόκληση : Ανάπτυξη διμαγνητικών Νανοσυρμάτων Βασικό ενδιαφέρον Μηχανισμός αντιστροφής της Μαγνήτισης: Πέρα από το μοντέλο σύμφωνης στροφής (Meiklejohn-Bean). Δυναμική Μαγνητικών Τοιχωμάτων (ΜΤ): Επίδραση του ΦΠΑ στο σχηματισμό και διάδοση των ΜΤ - Παράγοντες διαμόρφωσης της ταχύτητας των ΜΤ.

ΔΙΜΑΓΝΗΤΙΚΑ (πυρήνας/φλοιός) ΝΑΝΟΣΥΡΜΑΤΑ Co/CoO ΝΣ <D>=15nm , <L> ~ 10<D> Maurer et al PRB (2009) Fe/Fe2O3 ΝΣ Cao et al. Nano. Res. Lett. (2013) (a) Νανοπορώδες υπόστρωμα Al και (b) με ΝΣ Co, (c) σχηματική αναπαράσταση Co/CoO ΝΣ. Dext=40nm, Dint=20nm, L/D~100 Proenca et al PRB (2013)

ΦΠΑ - ΦΑΙΝΟΜΕΝΟΛΟΓΙΑ Παρατηρούμε: ΦΠΑ - ΦΑΙΝΟΜΕΝΟΛΟΓΙΑ Παρατηρούμε: Συρρίκνωση του βρόχου υστέρησης των συστημάτων μορφολογίας πυρήνα/φλοιού. Μετατόπιση του βρόχου υστέρησης κατά το πεδίο Heb. Ελάττωση του Heb με τη θερμοκρασία και μηδενισμό του στη θερμοκρασία Teb. Maurer et al PRB (2009)

ΜΟΝΤΕΛΟΠΟΙΗΣΗ : Ατομική Δομή Σιδηρομαγνητικό Νανόσυρμα (FM NW) Διμαγνητικό Νανόσυρμα FM / AF (C-S NW) Γεωμετρικές παράμετροι Κύλινδρος απλού κυβικού πλέγματος (a=πλεγματική σταθερά) Rcore=5a R=8a (tshell=3a) L=16 – 106 a (L/DFM = 1 -10)

ΜΟΝΤΕΛΟΠΟΙΗΣΗ : Ατομική Δομή C-S z-axis [001] C-S(rot) z-axis [011] C-S(rgh) z-axis [001]

ΜΟΝΤΕΛΟΠΟΙΗΣΗ : Μέθοδος υπολογισμού Πυρήνας (FM) Φλοιός (AF) Μαγνητικές Περιοχές Διπολικές   Zeeman Ανισοτροπία Ανταλλαγής Ολική Ενέργεια JFM= +1 (μονάδα ενέργειας) KFM= 0.1 JFM JAF= -0.5 JFM KAF= 1 .0 JFM gFM = 0.05 JFM Jint = -0.5 JFM H = [-0.5,0.5] JFM T=10-2∙JFM π.χ. Iglesias et al JNN (2008) Παράμετροι Υλικών Metropolis Monte Carlo MCSS=104 Ρυθμός μεταβολής πεδίου dH/dt = 10-5JFM /mcss Μέθοδος Προσομοίωσης

ΒΡΟΧΟΙ ΥΣΤΕΡΗΣΗΣ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ Παρατηρούμε: Συρρίκνωση του Βρόχου εξαιτίας του φλοιού, σε συμφωνία με τα πειραματικά αποτελέσματα (Maurer 2009). Αύξηση του Heb λόγω της τραχύτητας στην ενδοεπιφάνεια. Ελάττωση του Hc λόγω της τραχύτητας στην ενδοεπιφάνεια.

ΣΥΝΕΚΤΙΚΟ ΠΕΔΙΟ Παρατηρούμε: Αύξηση και κορεσμό του Hc σε μεγάλα μήκη εξαιτίας των διπολικών αλληλεπιδράσεων, σε συμφωνία με πειραματικά αποτελέσματα (π.χ. Skomski et al 2001). Διατήρηση της ελάττωσης του Hc στα C-S συστήματα σε διαφορετικά μήκη συρμάτων.

ΠΕΔΙΟ ΠΟΛΩΣΗΣ-ΑΝΤΑΛΛΑΓΗΣ Παρατηρούμε: Μικρό Heb στα C-S [001] συστήματα εξαιτίας του μικρού αριθμό μη-ισοσταθμισμένων spin. Αύξηση του Heb στα συστήματα C-S(rot) και C-S(rgh) λόγω αύξησης των μη- ισοσταθμισμένων σπιν.

ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΗ ΤΗΣ ΜΑΓΝΗΤΙΣΗΣ Παρατηρούμε: Διάδοση ΜΤ από τα άκρα προς το κέντρο των ΜΝΣ, όπου και συγχωνεύονται Ενεργοποίηση ενός δεύτερου μηχανισμού αντιστροφής κατά μήκος του άξονα z, λόγω του AF φλοιού Αύξηση του πλάτους των ΜΤ λόγω του AF φλοιού, σε συμφωνία με την σχέση,  

ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΗ ΤΗΣ ΜΑΓΝΗΤΙΣΗΣ Ενίσχυση του δεύτερου μηχανισμού αντιστροφής στο σύστημα με τραχύτητα, εξαιτίας της παρουσίας των μη-ισοσταθμισμένων spin.

ΤΑΧΥΤΗΤΑ ΜΑΓΝΗΤΙΚΩΝ ΤΟΙΧΩΜΑΤΩΝ Ταχύτητα DW [ a/mcss] υFM = 0.016 υC-S = 0.023 υC-S(frz) = 0.018 υFM(rot) = 0.016 υC-S(rot) = 0.028 Υψηλότερη ταχύτητα λόγω του δεύτερου μηχανισμού στα C-S συστήματα : υC-S(FM-AF) > υFM Αύξηση της ταχύτητας καθώς αυξάνεται το Heb

ΕΥΚΙΝΗΣΙΑ ΜΑΓΝΗΤΙΚΩΝ ΤΟΙΧΩΜΑΤΩΝ   DW Mobility [a/mcss·JFM] μFM = 0.006 μFM(rot) = 0.006 μC-S = 0.009 μC-S(rot) = 0.012 μC-S(rgh) = 0.012 Η παρουσία του φλοιού αυξάνει την ευκινησία. Η αύξηση των μη-ισοσταθμισμένων spin αυξάνει περαιτέρω την ευκινησία.

ΣΥΝΟΨΗ Παρατηρούμε: Η ανάπτυξη AF φλοιού σε FM νανοσύρματα οδηγεί σε : Συρρίκνωση του βρόχου υστέρησης . Εμφάνιση ασθενούς πεδίου πόλωσης ανταλλαγής Heb με μικρή εξάρτηση από το μήκος του σύρματος. Αύξηση της ταχύτητας και της ευκινησίας των μαγνητικών τοιχωμάτων πού οφείλεται στη συμμετοχή του ενδοεπιφανειακού τοιχώματος του φλοιού στην αντιστροφή της μαγνήτισης. Η αύξηση των μη-ισοσταθμισμένων spin του φλοιού (πχ λόγω συμμετρίας επιφάνειας ή λόγω τραχύτητας) ενισχύει περαιτέρω την ταχύτητα και ευκινησία των τοιχωμάτων.

ΕΠΟΜΕΝΟ ΒΗΜΑ - ΠΡΟΟΠΤΙΚΕΣ: Μελέτη νανοσυρμάτων / νανοσωλήνων FM-HM (βαρύ μέταλλο) – Εμφάνιση αλληλεπιδράσεων Dzyaloshinskii / Moriya. Σχηματισμός και κίνηση σκυρμιονίων.

ΕΥΧΑΡΙΣΤΩ ΓΙΑ ΤΗΝ ΠΡΟΣΟΧΗ ΣΑΣ ! ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ Τριμελής επιτροπή: Δ. Κεχράκος, Αναπληρωτής Καθηγητής ΑΣΠΑΙΤΕ Κ. Σιμσερίδης, Επίκουρος Καθηγητής ΕΚΠΑ Γ. Π. Τριμπέρης, Ομότιμος Καθηγητής ΕΚΠΑ Συνεργάτες: O. Chubykalo-Fesenko ICMM ΕΥΧΑΡΙΣΤΩ ΓΙΑ ΤΗΝ ΠΡΟΣΟΧΗ ΣΑΣ !

ΜΑΓΝΗΤΙΚΕΣ ΠΕΡΙΟΧΕΣ Χωρίς τοίχωμα Δύο περιοχές (domains) Τοίχωμα Bloch εύρους d=a Κατά συνέπεια, όσο η ανισοτροπία K↑ τόσο το εύρος d↓. Τυπικά μεγέθη τοιχώματος Bloch είναι 10 -1000 nm.  

ΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΜΟΝΑΔΙΚΗΣ ΜΑΓΝΗΤΙΚΗΣ ΠΕΡΙΟΧΗΣ Βασική Κατάσταση (Η=0, T=0): Σχηματισμός Μαγνητικών Περιοχών  Μ=0 Μοναδική Μαγνητική Περιοχή  Μ≠0 Μαγνητικό Υλικό σε συμβατική κλίμακα (L > 1μm) σε νανοκλίμακα (L ~ 10-100 nm)

ΜΙΚΡΟΣΚΟΠΙΚΗ ΕΡΜΗΝΕΙΑ ΤΟΥ Φ.Π.Α Η ποιοτική κατανόηση του φαινομένου, γίνεται μέσω της μικροσκοπικής περιγραφής της δομής στην διεπιφάνεια καθώς και της πειραματικής διαδικασίας Field Cooling (F.C): Ψύχουμε το σύστημα σε θερμοκρασία TN<T<Tc, παρουσία εξωτερικού πεδίου Hcool. Ψύχουμε το σύστημα σε θερμοκρασία T<TN<Tc. Αντιστρέφουμε το μαγνητικό πεδίο. Εξαιτίας της αλληλεπίδρασης ανταλλαγής με τα spins του AF, το συνεκτικό πεδίο για αρνητικές τιμές του πεδίου είναι μεγαλύτερο. Αντίθετα, το συνεκτικό πεδίο για θετικές τιμές του πεδίου είναι μικρότερο.

ΜΕΘΟΔΟΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΥ- Ο ΑΛΓΟΡΙΘΜΟΣ M.M.C Η μέθοδος Monte Carlo (MC) στη Στατιστική Φυσική, είναι μια υπολογιστική μέθοδος προσομοίωσης, ενός θερμοδυναμικού συστήματος στην κανονική συλλογή (T=σταθερό). Επιλογή αρχικού σχηματισμού των N spin Τυχαία επιλογή ενός spin si και μεταβολή του (si’ → si+Δsi) Υπολογισμός της μεταβολής της ολικής ενέργειας ΔΕ Αν ΔΕ <0, αποδοχή της νέας κατάστασης Αν ΔΕ >0, αποδοχή της νέας κατάστασης με πιθανότητα w=exp(-ΔΕ/kT) Επανάληψη Ν φορές των βημάτων 2-5 (1 Monte Carlo step per spin (MCSS)) Υπολογισμός μακροσκοπικών ποσοτήτων πχ Α Επανάληψη των βημάτων 2-6, Μ φορές Υπολογισμός των μέσων τιμών , και του στατιστικού σφάλματος

ΔΙΑΤΑΞΕΙΣ ΕΝΔΟΕΠΙΦΑΝΕΙΑΣ Μη- ισοσταθμισμένη επιφάνεια Heb ≠ 0 Ισοσταθμισμένη επιφάνεια Heb = 0

ΔΙΑΓΡΑΜΜΑ ΤΑΧΥΤΗΤΑΣ-ΠΕΔΙΟΥ ΜΕ ΤΗ ΜΕΘΟΔΟ LLG