Μελέτη μαγνητικών υλικών με μικρομαγνητικές προσομοιώσεις
Authors: Σταύρου Βασίλειος 
Published: November 2021

Η ανάπτυξη και εφαρμογή μαγνητικών υλικών απαιτεί βασική κατανόηση των διαδικασιών μαγνητισμού που καθορίζουν τις μαγνητικές ιδιότητες των υλικών. Ο μικρομαγνητισμός συσχετίζει τη μικροσκοπική κατανομή της μαγνήτισης στη μικροδομή του υλικού. Πρόσφατα, η μοντελοποίηση μικρομαγνητικών υλικών έχει γίνει ένα σημαντικό εργαλείο για το χαρακτηρισμό της μαγνητικής συμπεριφοράς των διαφορετικών υλικών που βρίσκουν εφαρμογές σε μέσα εγγραφής. Ο σχεδιασμός των έξυπνων υλικών απαιτεί την πρόβλεψη της απόκρισης του συστήματος σε εξωτερικά πεδία και σε διαφορετικές θερμοκρασιακές συνθήκες ως μία συνάρτηση του χρόνου.Στη παρούσα διατριβή, μελετάμε αριθμητικά τη δυναμική των μαγνητικών σκυρμιονίων σε διάφορες χωρικά περιορισμένες νανοδομές. Μαγνητικά σκυρμιόνια εμφανίζονται σε διαφορετικά συστήματα δημιουργούμενα από τη μεταβολή του μεγέθους της μαγνητοκρυσταλλικής ανισοτροπίας, η οποία διατηρήθηκε κάθετη στη βάση της εκάστοτε νανοδομής και παράλληλη στο εξωτερικό εφαρμοζόμενο πεδίο κατά τη διάρκεια της αντιστροφής της μαγνήτισης. Επιλύεται η εξίσωση Landau-Lifshitz-Gilbert μέσω Μικρομαγνητικών Προσομοιώσεων Πεπερασμένων Στοιχείων και Πεπερασμένων Διαφορών. Οι αριθμητικοί υπολογισμοί τοπολογικών αναλλοίωτων όπως ο αριθμός σκύρμιον S παρέχουν όχι μόνο ποιοτική αλλά και ποσοτική πληροφορία στην κατεύθυνση της εξήγησης του σχηματισμού και της εξέλιξης των μαγνητικών σκυρμιονίων, που έχουν παρατηρηθεί πειραματικά.Αρχικά μελετάται η αντιστροφή της μαγνήτισης σε πρίσματα τριγωνικής βάσης αλλά και σε πρίσματα της υβριδικής γεωμετρίας τριγώνου ρελώ πλευράς 330 νανομέτρων με μεταβαλλόμενη την τιμή σταθεράς της μαγνητοκρυσταλλικής ανισοτροπίας καθώς και την κατεύθυνσή της, παρόμοια με αυτή του μερικώς χημικώς διατεταγμένου FePt, χρησιμοποιώντας μικρομαγνητικές προσομοιώσεις πεπερασμένων στοιχείων. Μαγνητικά σκυρμιόνια εμφανίζονται σε διαφορετικά συστήματα δημιουργούμενα από τη μεταβολή του μεγέθους της μαγνητοκρυσταλλικής ανισοτροπίας, η οποία διατηρήθηκε κάθετη στη βάση του νανοσωματιδίου και παράλληλη στο εξωτερικό εφαρμοζόμενο πεδίο κατά τη διάρκεια της αντιστροφής της μαγνήτισης. Συγκεκριμένα, υπολογίστηκαν τα μεγέθη των παραγόμενων σκυρμιονίων συναρτήσει της τιμής της μαγνητοκρυσταλλικής ανισοτροπίας και του εφαρμοζόμενου εξωτερικού μαγνητικού πεδίου. Εσωτερικές μαγνητικές δομές αποκάλυψαν την ταυτόχρονη ύπαρξη σκυρμιονίων τύπου Bloch στο εσωτερικό των νανοσωματιδίων τα οποία μετατρέπονται σε σκυρμιόνια τύπου Néel στην επιφάνεια βάσης του νανοσωματιδίου. Επιπρόσθετα πραγματοποιήθηκαν μικρομαγνητικές προσομοιώσεις πεπερασμένων στοιχείων για τη μελέτη διαφορετικών νανοσωματιδίων FePt συμπεριλαμβανομένων της τριγωνικής, ρελώ, τετραγωνικής, πενταγωνικής, εξαγωνικής πρισματικής και της κυλινδρικής γεωμετρίας. Το γεωμετρικό σχήμα του μαγνητικού νανοσωματιδίου σε συνδυασμό με τη μαγνητοκρυσταλλική ανισοτροπία και το εφαρμοζόμενο εξωτερικό πεδίο μπορεί να ελέγξει τη δημιουργία πλούσιων σκυρμιονικών διαμορφώσεων. Ενεργειακές διαφορές για τις μεταβάσεις μεταξύ μη σκυρμιονικών καταστάσεων σε σκυρμιονικές και από σκυρμιονικές σε διαφορετικές σκυρμιονικές καταστάσεις ποσοτικοποιήθηκαν και συσχετίστηκαν για τα υπό μελέτη νανοσωματίδια με τις συνεισφορές των ενεργειών ανισοτροπίας, ανταλλαγής και απομαγνήτισης.Στη συνέχεια έλαβαν χώρα αριθμητικές προσομοιώσεις πεπερασμένων διαφορών λαμβάνοντας υπόψη τη θερμοκρασία εισάγοντας Brownian όρο στο αποτελεσματικό πεδίο που εμπλέκεται στην εξίσωση Landau-Lifshitz-Gilbert, προκειμένου να διερευνηθεί ο σχηματισμός σκυρμιονίων σε θερμοκρασία 10 K. Ο υπολογισμός της τοπολογικής αναλλοίωτης του αριθμού σκύρμιον S συνοδευόμενος από την οπτικοποίηση των μικρομαγνητικών διαμορφώσεων παρέχει λεπτομερείς ποσοτικές και ποιοτικές πληροφορίες σχετικά με το σχηματισμό και τη σταθεροποίηση των σκυρμιονίων. Συγκεκριμένα η προαναφερθείσα μελέτη έγινε σε τροποποιημένες γεωμετρίες τριών διαφορετικών μαγνητικών υλικών (CoPt, FeGe, FePt), αποκαλύπτοντας την ύπαρξη ασύμμετρων μαγνητικών διαμορφώσεων κατά τη διάρκεια της διαδικασίας της αντιστροφής της μαγνήτισης με διαφορετικά ενεργειακά φράγματα-κατώφλια για τις πρόδρομες καταστάσεις του σχηματισμού σκυρμιονίων. Τέλος μελετήθηκε η διαδικασία αντιστροφής της μαγνήτισης για τετραγωνικής βάσης νανοσωματίδιο FePt στους 300 Κ χρησιμοποιώντας μικρομαγνητικές προσομοιώσεις Πεπερασμένων Διαφορών. Αποκαλύφθηκε ότι μαγνητικά σκυρμιόνια μπορούν να παραχθούν και να σταθεροποιηθούν και σε θερμοκρασία 300 Κ για ένα ευρύ φάσμα τιμών εξωτερικού εφαρμοζόμενου πεδίου ακόμα και χωρίς αλληλεπιδράσεις Dzyaloshinskii-Moriya.