Abordamos nessa seção os estados remanentes para nano-cilindros de Fe. Os parâme- tros, como a magnetização de saturação e anisotropia do Fe, são maiores do que os parâmetros do Py (vê tabela 2.1), consequentemente os efeitos dos campos do campo dipolar e do campo de anisotropia serão diferentes para as fases magnéticas dos seus respectivos diagramas para campos externos aplicados, em diferentes rotas (x, y e z).
A figura 3.3 descreve as fases remanente de um nanonocilindro de Fe, onde variamos seu diâmetro e sua espessura. Partimos da saturação dos momentos magnéticos com campo externo alto aplicado na direção do eixo de anisotropia (na direção de x, esquematizado no quadro superior desta figura) e gradativamente o retiramos. Escolhemos diâmetros que variam de 20 à 150 nm e espessura de 3 à 30 nm na intenção de estudarmos nanoestruturas finas e aplicarmos em estruturas tipo pilar como abordaremos ainda nesse capítulo.
A fase uniforme, como indicado na região do diagrama 3.3 pela sua figura esquemá- tica, é favorecida em grande parte do diagrama. Nas regiões de diâmetros pequenos não há espaço para formação de vórtice. A medida que aumentamos a espessura do nano-cilindro, a magnetização que inicializamos com campo externo na direção do eixo de anisotropia, seguirá na direção z, pois a anisotropia de forma nessa direção torna-se viável a saida (ou entrando)
Figura 3.3: Diagrama de fases magnéticas para nano-cilindro de Ferro com campo externo aplicado em x no plano xy.
da magnetização do plano xy, formando a fase que chamamos de perpendicular. Em diâmetros pouco maiores, para as mesmas espessuras da fase perpendicular, surge uma região onde os mo- mentos magnéticos do sistema tentam diminuir a carga superficial, como o nano-cilindro não dá espaço para formação de vórtice no plano xy, assim, os momentos magnéticos se reestrutu- ram com o espaço interno do nano-cilindro, de uma forma, a nuclearem vórtice em um plano perpendicular ao plano xy.
A nucleação de vórtice no plano xy é proporcionada em uma região onde o campo di- polar supera sua competição com a anisotropia. Nesse caso, a estrutura interna do nano-cilindro se reorientará de uma maneira que, em remanência, boa parte da magnetização permanecerá no plano xy, porém apresentará uma componente saindo ou entrando no plano. A medida que o diâmetro vai aumentado, percebe-se, pelo diagrama 3.3 que a fase uniforme ressurge em alturas maiores comparadas a região de nucleação de vórtice. Isso devido a necessidade de um campo dipolar mais forte para retirar a magnetização do plano xy. Porém, para podermos fazer essas afirmações, temos que analisar as respectivas curvas de magnetização que caracterizam as fases magnéticas citadas acimas.
Temos na figura 3.4 as curvas de magnetização típicas que representam as diferentes fases do diagrama da figura 3.3, usamos campo de saturação de 5 KOe . A curva (A), para um cilindro de Fe de diâmetro igual a 39 nm e altura igual 9 nm, mostra o perfil da magnetização uniforme descrita acima, onde o estado remanente tem magnetização alta. A curva (B), para cilindro de Fe com D = 27 nm h = 21 nm, temos o estado remanente vórtice perpendicular, onde a magnetização diminui gradativamente, porém não vai à zero, curvando em torno de y formando vórtice em um plano perpendicular à xy. Em (C), temos um cilindro de Fe com D = 21 nm h = 24 nm, o estado remanente é o perpendicular, onde a magnetização no plano xy é igual a zero e, em (D), para cilindro de Fe com D = 39 nm h = 18 nm. Nas figuras 3.5, 3.6, 3.7 e 3.8 destacamos as respectivas configurações dos spins para o plano xy do nano-cilindro dos estados representados pelos pontos A, B, C e D nas curvas apontadas na figura 3.4. O mapa de cores representa a componente da magnetização que entra ou sai do plano xy, com a devida escala de cores. Adotamos por praticidade, azul (-1 - entrando no plano) e vermelho (+1 - saindo do plano).
Figura 3.4: Curvas de magnetização em função do campo externo aplicado na direção x, para diferentes cilindros escolhidos do diagrama 3.3. Os pontos A, B, C e D são estados remanentes destas nanoestruturas.
Figura 3.5: Configuração magnética do estado uniforme vista no plano xy para campo externo aplicado em x, no ponto A da figura 3.4. D é o diâmetro do nano-cilindro em nanômetros. O mapa de cores corresponde ao ângulo da magnetização com respeito ao plano xy, onde +1 significa saindo do plano e -1 entrando.
Figura 3.6: Configuração magnética do estado vórtice perpendicular vista no plano xy, para o campo externo aplicado em x no ponto B da figura 3.4. D é o diâmetro do nano-cilindro em nanômetros. O mapa de cores corresponde ao ângulo da magnetização com respeito ao plano xy, onde +1 significa saindo do plano e -1 entrando.
Figura 3.7: Configuração magnética do estado Perpendicular vista no plano xy, para o campo externo aplicado em x, no ponto C a figura 3.4. D é o diâmetro do nano-cilindro em nanômetros. O mapa de cores corresponde ao ângulo da magnetização com respeito ao plano xy, onde +1 significa saindo do plano e -1 entrando.
Figura 3.8: Configuração magnética do estado Vórtice vista no plano xy para o campo externo aplicado em x, no ponto D a figura 3.4. D é o diâmetro do nano-cilindro em nanômetros. O mapa de cores corresponde ao ângulo da magnetização com respeito ao plano xy, onde +1 significa saindo do plano e -1 entrando.
Apresentamos no diagrama da figura 3.9 as fases magnéticas remanentes para campo externo aplicado paralelamente a y em nano-cilindros de Ferro. Observamos uma variação significativa dos estados nucleados em diâmetros pequenos em relação ao caso de aplicarmos campo externo na direção de x. Há nucleação de um estado monodomínio, porém com plano
curvando em torno de y, ao qual nomeamos de estado C-Y. A fase uniforme apresenta-se estabi- lizada em pequenas alturas entre os diâmetros 51 nm e 100 nm. Em diâmetros superiores a 100 nm, surgirá uma nova variação do estado monodomínio, o estado S. Isso se dá, quando aumen- tamos o raio do cilindro, devido a competição entre o campo de anisotropia (aplicado na direção positiva de x) e o campo externo (aplicado na direção de y). Como mostrado da figura esque- mática no diagrama 3.9. Parte central dos spins obedecem o sentido do campo externo, porém os spins das extremidades tentam curva-se em torno do eixo de anisotropia na direção x. A fase perpendicular surge da mesma forma do que para o digrama descrito anteriormente. O aumento da espessura do cilindro induz naturalmente a formação dessa fase magnética. A região que contempla a formação de vórtice é maior para campo externo aplicado em y, devido, ser mais fácil tirar os spins da estabilidade proposta pelo campo de anisotropia. Um ponto notado no diagrama 3.9 é a região de nucleação do estado S, para nano-cilindros de espessuras pequenas, onde permanece constante a nucleação dessa fase em torno do diâmetro de 150 nm, indicando que o campo de anisotropia permanece favorecido pela aumento do diâmetro do nano-cilindro.
Figura 3.9: Diagrama de fases magnéticas para nano-cilindro de Ferro com campo externo aplicado em y no plano xy.
As curvas de magnetização das principais fases remanentes do diagrama 3.9 estão des- critas na figura 3.10, onde foram escolhidos cilindros com certas dimensões para exemplificá-
las, as quais estão escritos na própria figura 3.10. Os pontos A (fase S), B (fase C-Y), C(fase perpendicular) e D(vórtice) representam estas fases. Destacamos as fases intermediárias da fase uniforme (pontos A e B), mostradas nos mapas de spins das figuras 3.12 e 3.11, como descritas acimas, são fases de alta magnetização remanente, porém, menores do que as da fase uniforme.
Figura 3.10: Curvas de magnetização em função do campo externo aplicado na direção y, para diferentes cilindros escolhidos do diagrama 3.9. Os pontos A, B, C e D são estados remanentes destas nanoestruturas.
Figura 3.11: Configuração magnética do estado S vista no plano xy, para o campo externo aplicado em y, no ponto A da figura 3.10. D o diametro em nanômetros e o mapa de cores corresponde ao ângulo da magnetização com respeito ao plano xy, onde +1 significa saindo do plano e -1 entrando.
Figura 3.12: Configuração magnética do estado C-Y vista no plano xy, para o campo externo aplicado em y, no ponto B da figura 3.10. D o diametro em nanômetros e o mapa de cores corresponde ao ângulo da magnetização com respeito ao plano xy, onde +1 significa saindo do plano e -1 entrando.
Para o caso de campo externo aplicado na direção z (diagrama da figura 3.13), temos uma região maior de nucleação de vórtices, isso devido ao campo externo ser aplicado nessa direção, onde torna-se um fator que contribui com a componente perpendicular da magnetização ao plano xy.
Figura 3.13: Diagrama de fases magnéticas para nano-cilindro de Ferro com campo externo aplicado em z perpendicular ao plano xy.
As curvas de magnetização na rota z, possuem dois perfis: um que representa o es- tado uniforme para nano-cilindros baixos (h pequeno), e, outro para nano-cilindros de grandes espessuras, como apontados na figura 3.14 pelos pontos A e B. Observamos que a curva de nano-cilindros espessos possui uma região de saturação maior, uma vez que, o campo externo está favorável à altura, tendo espaço para saturação na direção z. Já a curva preta, para nano- cilindros fino, apresenta região de saturação menor, pois é mais difícil de saturar na direção z. Assim, os estados evoluem na curva A, de perpendicular, em relação ao plano xy, à vórtice, em remanência com magnetização de 0.3, uma vez que este valor representa o valor da compo- nente da magnetização na direção z normalizada pela constante de magnetização de saturação do ferro, como mostrado nos mapas de spins da figura 3.15. Os estados da curva B evoluem de perpendicular à uniforme com respeito ao plano xy, como indicados na figura 3.16.
Figura 3.14: Curvas de magnetização em função do campo externo aplicado na direção z, para diferentes cilindros escolhidos do diagrama 3.13. Os pontos A e B são os estados remanentes destas nanoestruturas.
Figura 3.15: Mapas de spins que representam os estados a campo externo alto, e, em remanência para a curva A da figura 3.14, no plano xy.
Figura 3.16: Mapas de spins que representam os estados a campo externo alto, e, em remanência para a curva B da figura 3.14, no plano xy.
Temos na figura 3.17 a análise comparativas dos resultados obtidos para os tipos de diagramas descritos acima. Observamos que a maneira pela qual escolhemos a direção de apli- cação do campo externo, nos dá diferentes fases remanentes. Para campo externo aplicado em x, a fase uniforme é estabilizada pela anisotropia de forma. Assim, quando aumentamos o di- âmetro do nanoelemento a magnetização tem uma dificuldade maior para sair do plano, como é evidenciado nas extremidades do diagrama 3.3. Já no caso em que aplicamos o campo ex- terno na direção de y, uma pequena região para diâmetros pequenos, nucleia-se vórtice, e, em diâmetros grandes a fase uniforme é caraterizada por uma fase intermediária, pois a anisotro- pia é contrariada pelo campo externo. À medida que os estados evoluem seguindo a tendência imposta pela competição entre estes campos (campo dipolar e campo de anisotropia), o sis- tema sempre procura o estado mais confortável magneticamente para se reorientar, por isso, em remanência, apesar de não existir campo externo, pode-se encontrar diferentes estados.
Figura 3.17: Figura comparativa da linhas que separam as principais fases remanentes para de cilindros de Fe para maneiras distintas de campo externo aplicado.