Δυναμική της μαγνήτισης σε πεπερασμένη θερμοκρασία σύνθετων νανοδομικών υλικών
Authors: Πατσόπουλος Αριστοτέλης 
Published: September 2021

Τα μαγνητικά νανοσύρματα και οι νανοσωλήνες παρουσιάζουν ιδιαίτερο τεχνολογικό ενδιαφέρον εξαιτίας της αυξημένης ανισοτροπίας σχήματος που παρουσιάζουν. Ακόμα, η σχεδόν μονοδιάστατη γεωμετρία τους επιτρέπει την ελεγχόμενη διάδοση μαγνητικών αυτο-εντοπισμένων (σολιτονικών) διεγέρσεων (μαγνητικά τοιχώματα, σκυρμιόνια) που μπορούν να αξιοποιηθούν ως φορείς ψηφιακής πληροφορίας σε διατάξεις μονοδρομικής μνήμης. Σε αυτό το πλαίσιο, το φαινόμενο πόλωσης - ανταλλαγής προτείνεται ως φυσικός μηχανισμός ελέγχου της ανισοτροπίας των μαγνητικών νανοσυρμάτων, ενώ διερευνάται ο σχηματισμός των μαγνητικών διεγέρσεων αλλά και μέθοδοι που επιτρέπουν τον έλεγχο της διάδοσής τους. Απώτερος σκοπός είναι η ανάδειξη των μικροσκοπικών μηχανισμών αντιστροφής της μαγνήτισης που μπορούν να οδηγήσουν στη βελτιστοποίηση των τεχνολογικών εφαρμογών τους. Στο κεφάλαιο 1, περιγράφονται οι βασικές αλληλεπιδράσεις που διέπουν τη μαγνητική συμπεριφορά των συστημάτων που μελετώνται καθώς και οι διαφορετικές περιπτώσεις μαγνητικής διάταξης που προκύπτουν από τον ανταγωνισμό αυτών των αλληλεπιδράσεων. Πραγματοποιείται εισαγωγική αναφορά στο φαινόμενο πόλωσης - ανταλλαγής αλλά και στις μαγνητικές διαμορφώσεις σολιτονικού χαρακτήρα και στα μαγνητικά νανοσύρματα, που αποτελούν το τρίπτυχο μελέτης της παρούσας διατριβής. Στο κεφάλαιο 2, παρουσιάζεται η υπολογιστική μικρομαγνητική μέθοδος μοντελοποίησης μέσω της οποίας γίνεται η περιγραφή των φυσικών συστημάτων αλλά και η μέθοδος Metropolis Monte Carlo που είναι η μέθοδος προσομοίωσης μέσω της οποίας παράγονται τα αριθμητικά αποτελέσματα. Στο κεφάλαιο 3, μελετάται το φαινόμενο πόλωσης - ανταλλαγής σε κυλινδρικά νανοσύρματα μορφολογίας σιδηρομαγνητικού (ΣΔ) πυρήνα / αντισιδηρομαγνητικού (ΑΣ) φλοιού με σκοπό τη διερεύνηση (α) της δυνατότητας διαμόρφωσης της ενεργού ανισοτροπίας του συστήματος και (β) του μηχανισμού διάδοσης των μαγνητικών τοιχωμάτων. Η μελέτη ανέδειξε το ρόλο του ΑΣ φλοιού στη διαμόρφωση ενός πολύπλοκου μηχανισμού αντιστροφής της μαγνήτισης σε σχέση με τα απλά ΣΔ νανοσύρματα, ενώ η ύπαρξη πολυκρυσταλλικότητας στο φλοιό, εισάγει έναν επιπλέον άξονα εύκολης μαγνήτισης, που οδηγεί σε βελτιστοποίηση του φαινομένου πόλωσης - ανταλλαγής σε διεύθυνση εκτός του κεντρικού άξονα. Επίσης, οδηγεί και σε αύξηση της κρίσιμης διαμέτρου στην οποία πραγματοποιείται μετάβαση από εγκάρσια μαγνητικά τοιχώματα σε μαγνητικές δίνες. Τα αποτελέσματα είναι σε ποιοτική συμφωνία με πρόσφατες πειραματικές μελέτες νανοσυρμάτων Co/CoO. Στο κεφάλαιο 4, μελετάται η αξιοποίηση της χωρικής διαμόρφωσης της διαμέτρου ενός ΣΔ νανοσύρματος με σκοπό τη δυνατότητα ελεγχόμενης παγίδευσης των μαγνητικών τοιχωμάτων. Η ελεγχόμενη παγίδευση μαγνητικών τοιχωμάτων σε σχεδόν μονοδιάστατα μαγνητικά συστήματα, αποτελεί απαραίτητο στοιχείο προκειμένου αυτά να αξιοποιηθούν σε μελλοντικές διατάξεις μαγνητικής μνήμης. Σε συμφωνία με πειραματικά αποτελέσματα, συμπεραίνεται ότι οι στενώσεις κατά μήκος ενός νανοσύρματος λειτουργούν ως ελεγχόμενα (από το εξωτερικό πεδίο) κέντρα παγίδευσης. Στο κεφάλαιο 5, μελετώνται οι συνθήκες σχηματισμού μαγνητικών σκυρμιονίων σε σύνθετα κυλινδρικά νανοσύρματα με πυρήνα βαρέος μετάλλου (HM) και φλοιό σιδηρομαγνητικό. Τα εν λόγω νανοσύρματα προτείνονται ως εναλλακτική προοπτική για την αντιμετώπιση της εξαΰλωσης των σκυρμιονίων σε επίπεδες νανολωρίδες με ελεύθερα άκρα εξαιτίας του σκυρμιονικού φαινομένου Hall και της παρουσίας των ελεύθερων άκρων. Αναδεικνύεται η δυνατότητα σταθεροποίησης σκυρμιονίων σε κυλινδρικούς ΣΔ φλοιούς με αναλλοίωτα τα γεωμετρικά τους χαρακτηριστικά (σχήμα, μέγεθος), εφόσον η καμπυλότητα είναι τουλάχιστον συγκρίσιμη με την ακτίνα του σκυρμιονίου (κριτήριο ευστάθειας). Τέλος, στο κεφάλαιο 6 συνοψίζονται τα κεντρικά συμπεράσματα της διατριβήςκαι διατυπώνονται οι προοπτικές περαιτέρω μελέτης.