Fases moduladas em filmes magnéticos ultrafinos com anisotropia perpendicular : modelos e simulações

Abstract

Neste trabalho estudamos os fenômenos observados em filmes magnéticos ultrafinos com anisotropia perpendicular, onde domínios razoavelmente regulares de faixas dominam o regime de baixas temperaturas a campo nulo. Esses domínios magnéticos de faixas constituem uma realização de fases moduladas presentes em inúmeros sistemas físicos, químicos e biológicos, e são resultados da presença de interaçães competindo em diferentes escalas espaciais. No caso de interesse, a competição entre as interações de troca e dipolar levam à estabilidade de uma estrutura de domínios de faixas que possuem ambas ordens translacional anisotrópica e orientacional, semelhantes às encontradas em filmes de cristais líquidos. Através de um modelo escalar de Landau Ginzburg que captura a formação dos domínios de faixas nos filmes magnéticos ultrafinos com anisotropia perpendicular, estudamos o efeito das flutuações térmicas atuando nas escalas de comprimento introduzidas pela competição entre as interações, que, aliadas à baixa dimensionalidade do problema, estabelecem fases ordenadas de baixa temperatura com ordem de quase longo alcance, onde defeitos topológicos exercem um papel fundamental. Introduzimos uma técnica de simulação de Langevin para o modelo de Landau Ginzburg, através da qual obtivemos resultados de equilíbrio determinando a natureza das fases de baixa temperatura. Confirmamos junto aos resultados experimentais a estabilidade de uma fase esmética, associada à quebra de simetria translacional, em baixas temperaturas. Entre essa fase e a fase isotrópica, encontramos resultados que apontam a estabilidade da fase nemática, associada à quebra de simetria orientacional, que é prevista teoricamente mas não foi ainda observada experimentalmente. A simulação de Langevin introduzida aqui se mostrou capaz de reproduzir fenômenos como a dependência da largura das faixas com a temperatura e o perfil das paredes de domínio, assim como flutuações térmicas e defeitos topológicos das faixas, muito próximos aos observados experimentalmente.

ln this work we study the phenomena observed in ultrathin magnetic films with perpendicular anisotropy, in which stripe domains with reasonable regularity dominate the low temperature regime under zero external applied field. These stripe magnetic domains are a manifestation of modulated phases present in a large number of physical, chemical and biological systems, and are the result of the presence of interactions competing in different spacial scales. In the case we are interested in, the competition between the exchange and dipolar interactions stabilize a stripe domain structure that have both translacional anisotropic and orientacional orders, similar to those found in liquid crystal films. Through a scalar Landau Ginzburg model that captures the stripe domain formation in ultrathin magnetic films with perpendicular anisotropy, we study the effect of thermal fluctuations acting in the length scales introduced by the competition of the interactions, that, together with the low dimensionality of the problem, estabilize low temperature ordered phases with quasi-long-range order, where topological defects play a fundamental role. We introduce here a Langevin simulation technique to the Landau Ginzburg model, through which we obtain equilibrium results determining the nature of the low temperature phases. We confirm, in agreement with experimental observations, the stability of a smectic phase, related to the break of translational symmetry. Between this phase and the isotropic phase, we find results that point to the stability of the nematic phase, related to the break of orientational symmetry, that is predicted theoretically but was not observed experimentally. The Langevin simulation introduced here is capable to reproduce some of the phenomena, like the stripe domain width temperature dependence and the domain wall profile, as well as stripe thermal fluctuations and topological defects, very close to those observed experimentally.