Comportamiento magnético de sistemas de nanopartículas interactuantes en matrices no-magnéticas de diferente dimensión

Abstract

En este trabajo de diploma se estudió el comportamiento de un sistema de nanopartículas magnéticas esféricas, monodominio, monodispersas e interactuantes dispuestas en arreglos bidimensionales con diferentes relaciones de aspecto entre sus lados, incluyendo el caso límite de arreglos unidimensionales, mediante simulaciones Monte Carlo. Las nanopartículas poseen un supermomento magnético y un eje de anisotropía intrínseca efectiva, cuya interacción entre sí puede ser descrita por el modelo de Stoner y Wohlfarth (SW). Se introdujo la acción de un campo magnético externo paralelo al eje de anisotropía y a la dirección de uno de los lados de la película. Además se estudiaron las interacciones dipolares entre los supermomentos (modelo SWD), cuya intensidad depende del material que conforma las nanopartículas, su distribución espacial, y su concentración. Se modificaron estos parámetros con el fin de caracterizar la influencia de las interacciones sobre el comportamiento magnético del sistema. Se sabe a partir del modelo de SW que existe un estado fuera del equilibrio, que se denomina boqueado, en el que se observa un ciclo de histéresis como respuesta magnética del sistema ante la acción de un campo magnético externo oscilante. Luego de cierto tiempo, modelado teóricamente por la relajación de Néel, el sistema alcanza el estado de equilibrio que se denomina superparamagnético (SPM) y no presenta histéresis. Se puede definir una temperatura de bloqueo dependiente del tiempo de medida que marca la transición entre estos dos estados (que no es una transición de fase termodinámica). En la primera parte de este trabajo, se midieron los ciclos de histéresis tomando valores típicos para nanopartículas de hierro y magnetita en arreglos con relación de aspecto igual o cercana a 1. Se estudió la variación del campo coercitivo y la magnetización de remanencia en función de la densidad de nanopartículas para un rango extendido de temperaturas. Para la densidad más baja de los dos materiales en estudio, se recuperaron los valores obtenidos del modelo de SW sin interacciones. A medida que se aumentó la densidad, y por consiguiente la intensidad de las interacciones dipolares, los valores del campo coercitivo y la magnetización de remanencia se mantuvieron no nulos para todo el rango de temperaturas, evidenciando que las interacciones dipolares hacen que el sistema se mantenga en el estado bloqueado a temperaturas mayores que la de bloqueo del sistema SW, y en consecuencia retrasando el valor de la temperatura de bloqueo. El comportamiento no monótono observado en estas magnitudes fue explicado en base a la formación de ordenamientos en forma de bandas antiferromagnéticas estables en la dirección del campo. A continuación, se estudió el efecto de la relación de aspecto entre los lados de la película donde se distribuyen las nanopartículas, mostrando que juega un rol determinante en los ciclos de magnetización. En efecto, ésta incorpora una anisotropía adicional de forma, la cual compite con la anisotropía intrínseca de las nanopartículas. Los resultados indican que para arreglos unidimensionales y cuasi-unidimensionales donde el campo externo y la anisotropía intrínseca se orientan en dirección del lado más largo, la magnetización por bandas se evidencia en saltos abruptos de magnetización en los ciclos de histéresis. Por otro lado, si se orientan perpendiculares a la dirección del lado más largo, la histéresis desaparece y la respuesta magnética del sistema es lineal. Luego se varió la densidad para arreglos con relaciones de aspecto mucho mayores o mucho menores a 1, tomando distintos tamaños del sistema y a bajas temperaturas para despreciar los efectos de las fluctuaciones térmicas. Los resultados obtenidos son explicados en base a que, conforme disminuye la intensidad, la anisotropía intrínseca de las nanopartículas se hace dominante, pero continúan influenciando la dinámica los ordenamientos locales tipo cadenas. Finalmente, se presentó una propuesta de resolución analítica del caso unidimensional, la cual explicó la posición de los saltos de magnetización observados en los ciclos correspondiente a los arreglos unidimensionales orientados en dirección del campo.