Resumen

El rápido desarrollo de la nanotecnología lleva a una drástica reducción del tamaño de los dispositivos magnéticos hasta dimensiones por debajo de la micra, lo que supone un incremento de la relación entre la superficie y el volumen del sistema. Por lo tanto, es lógico suponer que los efectos de superficie en sistemas de dimensiones tan reducidas serán muy relevantes y afectarán al comportamiento magnético global de múltiples formas.

Dentro de los sistemas magnéticos de escala nanoscópica cabe destacar las nanopartículas y las películas ultra-delgadas por sus interesantes propiedades. Estos sistemas pueden presentar una anisotropía de superficie elevada, además de otros efectos de superficie como: reducción de la imanación de saturación, aumento del momento orbital, modificación de la interacción de canje en la superficie, relajación de la red cristalina, oxidación, etc. Múltiples trabajos experimentales demuestran cómo el comportamiento magnético de los sistemas nanoscópicos cambia con respecto al material masivo. Por ejemplo, las nano-partículas magnéticas presentan anisotropía de superficie elevada lo que frecuentemente conduce a un aumento de su temperatura de bloqueo en comparación con el valor correspondiente a los parámetros de volumen.

El trabajo realizado en esta tesis esta enfocado en la investigación de los efectos de superficie en sistemas magnéticos, empleando para ello las simulaciones numéricas.

Las simulaciones numéricas ocupan un lugar importante a la hora de determinar el comportamiento de complejos y diversos sistemas magnéticos. Los cálculos numéricos permiten conocer la distribución de la imanación a escala nanométrica en relación con las propiedades intrínsecas y extrínsecas de las nano-partículas y películas delgadas.

Los métodos de simulaciones utilizados en este trabajo están englobados dentro del esquema de simulaciones multiescala que pretenden enlazar cálculos a diferentes escalas.

En esta tesis en concreto se han trabajado en los siguientes temas:

a)

Estudio de partículas individuales como sistemas multiespín.

Para partículas con diámetros de unos pocos nanómetros es de esperar que la influencia de los efectos superficiales produzca alguna no colinealidad en la configuración de los espines, dependiente de la magnitud de la anisotropía superficial. Estas no colinealidades producen unas anisotropías efectivas, de modo que podemos describir una nanopartícula multiespín como una macroespín pero con anisotropías adicionales. La metodología está basada en el Hamiltoniano de tipo Heisenberg y en el método de multiplicadores de Lagrange para mapear el comportamiento multiespín a un solo macroespín. La anisotropía de superficie fue modelada aplicando un modelo de Néel. Como parte de este estudio se obtuvieron los paisajes de energía (dependencia angular de la energía magnética del sistema con respecto a la dirección de la imanación) de nanopartículas magnéticas. Se estudiaron los paisajes de energía para nanopartículas con diferentes formas, redes cristalinas, anisotropía magnetocristalina así como la intensidad de la anisotropía de superficie. Además se estudiaron las barreras de energía extrayéndose de ellas los valores de la anisotropía efectiva del sistema. Posteriormente se analizó la dependencia de la anisotropía efectiva con el tamaño del sistema y el rango de validez de la fórmula fenomenológica $K^{eff}=K_{V}+\frac{6}{D} K_{S}$ que relaciona la anisotropía effectiva con la anisotropía de volumen, la anisotropía de superficie y el diámetro de la nanopartícula. En concreto, motivados por el trabajo experimentañdel grupo del Dr. J. Bartolomé modelamos nanopartículas de cobalto con diversos recubrimientos $Al_{2}O_{3}$, Au, Cu, examinando los paisajes de energía, las barreras de energía y las anisotropías efectivas de dichas nanopartículas, al variar su forma y la fuerza de la anisotropía de superficie.

b)

Estudio del comportamiento de la anisotropía magnética con la temperatura.

En esta sección se estudió cómo se ve afectada la anisotropía magnética efectiva por la temperatura en nano-partículas y películas ultra-delgadas. Es bien conocido que en un sistema cuya anisotropía efectiva es de carácter uniaxial o cúbico ésta se comporta siguiendo la ley de Callen-Callen, al menos a bajas temperaturas. No obstante, en sistemas más complejos con efectos de superficie importantes, como es el caso de las láminas delgadas o las nano-partículas magnéticas, este comportamiento no está claro. Con el fin de analizar la dependencia de la anisotropía magneto-cristalina efectiva con la temperatura, se llevaron a cabo diversas simulaciones magnéticas utilizando el algoritmo de Monte Carlo con ligadura (CMC) desarrollado recientemente conjuntamente con el Dr. P. Asselin (Seagate Technology) en el curso de este trabajo de tesis. Se analizó la dependencia térmica de la anisotropía efectiva en láminas delgadas y nanopartículas (esféricas y octaédricas truncadas) con diferentes configuraciones de los ejes fáciles del sistema. Se observó que cuando nuestro sistema en estudio presenta competición entre la anisotropía de superficie y la magnetrocristallina, se puede producir por efecto de la temperatura una reorientación de ejes fáciles del sistema.

c)

Estudio multiescala de láminas magnéticas delgadas.

Desafortunadamente, en este momento una descripción cuántica a todas las escalas (temporal, espacial, etc.) resulta imposible. Adicionalmente, los modelos "ab-initio" no pueden calcular directamente las dependencias térmicas de los parámetros macroscópicos tales como anisotropías efectivas. Sin embargo, los cálculos "ab-initio" pueden obtener los parámetros magnéticos intrínsecos. En este contexto, se han realizado modelizaciones multiescala con el fin de extraer parámetros atomísticos y parametrizar el Hamiltoniano clásico. Dentro de este esquema se han estudiado las propiedades magnéticas de láminas delgadas de Co ((100) y (111)) y Co/Ag (con diferente interfaz (100) o (111)) mono o bicapas de Ag. De los cálculos "ab-initio" se extrajeron parámetros locales tales como anisotropía, momento magnético y canje para posteriormente calcular la anisotropía efectiva macroscópica de la superficie y su dependencia térmica.