Temperature-induced magnetization reversals in micromagnetic systems

Abstract

Microscopic magnetic particles can be found in a wide range of systems, from asteroids in outer space and minerals in the Earth’s crust to living organisms on land and in the ocean. Often they determine critical functional properties of these systems and form the basis of modern technology such as high-density data storage devices. An essential task for fundamental magnetism and applications is to describe the behavior of such particles at a given temperature and in the presence of an applied magnetic field. In this thesis, a theoretical method is developed for estimating the lifetime of magnetic states of microscopic particles based on harmonic transition state theory. It represents an extension of Stoner-Wohlfarth theory by introducing the effect of temperature. An analytical expression for the lifetime is presented as a function of magnetic field strength and temperature for certain field directions. This theory is applied in the calculations of switching field distribution of sub-micron CoPt islands with out-of-plane anisotropy and in the estimation of nucleation volume for magnetization reversal in such islands. After considering magnetization reversal of a single island, collections of micromagnetic particles in elements of spin ice systems are analyzed. Micromagnetic, dipole-dipole and dumbbell numerical models for the description of the interaction between islands in spin ice magnetic elements are compared. The lifetime of magnetic states in one and two hexagonal rings of a kagome spin ice system is calculated and found to compare well with reported results of experimental measurements. The magnetization reversal processes in an element of the shakti lattice are quantitatively described using various paths on the energy surface with estimation of the energy variation along each path for a range in the value of the lattice constant.

Örsmæðar segulagnir koma fyrir víða, allt frá loftsteinum í himinhvolfinu til steinda í jarðskorpunni, og í lifandi verum á láði og legi. Oft á tíðum gegna þær lykilhlutverki og eru t.a.m. grundvöllurinn fyrir nútíma tækni svo sem í háþéttni gagnageymslum. Mikilvægt er að skilja grundvallareiginleika slíkra agna og geta metið líftíma segulástandanna við tiltekið hitastig og ytra segulsvið. Í þessari ritgerð er þróuð aðferð til að meta líftíma segulástanda örsmæðar segulagna með því að nota virkjunarástandskenninguna innan kjörsveifilsnálgunarinnar. Þar með er Stoner-Wohlfarth aðferðin útvíkkuð til að taka áhrif hitastigs með í reikninginn. Einföld líking er leidd út fyrir líftímann sem fall af hitastigi og styrkleika segulsviðsins fyrir tilteknar stefnur sviðsins. Þessari aðferð var beitt í reikningum á vendisviðsdreifinu smárra CoPt eyja með þverstæðan stefnuás til að meta kjarnarúmmálið fyrir umseglun eyjanna. Eftir að umselgun stakra eyja hafði verið rannsökuð voru greindir eiginleikar eyjaklasa sem eru einingar í spunaís. Tvískautsog handlóðarnálganir til að lýsa víxlverkun milli eyja í spunaíseiningum voru bornar saman við míkrósegulreikninga. Líftími segulástanda í einum og tveimur sexhringjum kagome spunaíss var reiknaður og niðurstöðunum bar vel saman við birtar mæliniðurstöður. Umseglun í einingu af shakti spunaís var lýst ítarlega með ýmsum hvarfleiðum á orkuyfirborðinu og mati á orkunni eftir ferlunum fyrir ýmis gildi á grindarfastanum.