2.2.1
Histerese Magnética
A curva de magnetização trata-se do comportamento da magnetização ~M com relação ao campo magnético aplicado ( ~H) (Guimarães (2009)). A curva de magnetização histerética surge quando a inversão dos momentos magnéticos de uma estrutura devido à aplicação de um campo magnético se dá por caminhos diferentes. A magnetização apresenta valores diferentes para o mesmo valor de campo aplicado, os quais dependem do estado anterior. Há uma inércia de se manter constante a configuração, porém a magnetização não suporta o alto campo aplicado na direção oposta do seu eixo de magnetização.
De uma forma geral, histerese trata-se de um fenômeno complexo, não linear, não lo- cal, que reflete a existência de uma energia metaestável. No caso da histerese magnética, esta energia está associada a barreira de anisotropia, a qual depende do campo externo aplicado. Além dos efeitos de tamanho da estrutura as curvas de magnetização são também influenci- adas pela geometria, temperatura, tratamento térmico, e claro os parâmetros do material das quais são feitas e do acoplamento com substratos magnéticos ou não. Dois pontos na curva de magnetização merecem destaque:
A Remanência que é a magnetização do elemento quando removido o campo externo a partir da saturação. Para a gravação neste ponto da histerese temos a indicação se um bit é gravado ou não. Pois para produzir sinal a cabeça de leitura tem que se ter um campo de fuga que é função da magnetização.
A Coercividade que indica o campo magnético onde ocorre a reversão da magneti- zação. Aponta a intensidade do campo necessário para a reversão da magnetização, ou seja, a reversão do bit gravado.
Temos que o primeiro é claramente identificável e o segundo não. Nanoelementos po- dem ter curvas onde a coercividade não é identificada claramente por apresentar estados magné- ticos intermediários durante a reversão bem como a assimetria nos ramos da histerese. Pode-se fazer uma tentativa de identificar a coercividade aproximada quando os ramos da histerese são assimétricos e não se identificam claramente os campos de reversão, consequentemente terá também uma aproximação do deslocamento da histerese (Eisenmenger et al. (2005)).
Um ciclo de histerese magnética mostra o quanto um material se magnetiza sob a influência de um campo magnético e o quanto de magnetização permanece nele na ausência de campo externo. Materiais ferromagnéticos exibem uma complexa relação entre magnetização
~
M e a intensidade do campo aplicado ~H a estes materiais (Skomski (2003)), como na figura 2.1, além de depender do valor de ~H depende da maneira pela qual a medida de magnetização foi atingida, isso nos dá a relação trivial entre magnetização e campo externo aplicado. À medida que o material ferromagnético é sujeito a um campo aplicado cada vez maior, a densidade de Fluxo, ~B, aumenta até que o material alcance a saturação (trecho posterior ao ponto III do gráfico a) da figura 2.1, que mostra a histerese magnética teórica de uma única partícula de Ferro). Observa-se que embora o campo externo seja nulo no ponto I, a magnetização não é. Para esse valor de magnetização a campo nulo chama-se de campo remanente ou remanência. À medida que o campo externo diminui gradualmente, a magnetização diminui ao longo de I-II. Diz-se que houve um atraso na magnetização. A intensidade do campo magnético aplicado necessário para reduzir a magnetização desse material a zero depois que o material atingiu a saturação é denominada de coercividade Hc. Quanto mais largo e mais alto for o ciclo de
histerese, maior será a dificuldade do material se desmagnetizar (alta coercividade) e maior será a magnetização que ele retém, depois de ser submetido a um campo magnético externo.
Figura 2.1: Histerese magnética teórica de uma partícula ferromagnética
na histerese magnética do gráfico 2.1, onde a curva vermelha representa o trecho onde se está retirando campo da situação inicial (ida) e a curva preta onde adiciona-se campo, na intenção de resgar a configuração inicial (volta). Os pontos II e III representam as duas situações de mínima energia no ciclo de histerese magnética.
Figura 2.2: Curva da evolução da energia magnética versus a variação da magnetização para uma partícula de Fe, com histerese magnética descrita na figura 2.1.
Através do estudo da curva de magnetização a caracterização magnética dos materiais são feitas, como extraindo dela as informações citadas acima. O perfil magnético dos materiais, como a forma da sua curva de magnetização, é bastante diversificada, dependendo dos vários fenômenos complexos que passam nos materiais.
2.2.2
Histerese Térmica
Sistemas ferromagnéticos acoplados a um substrato ferro ou antiferromagnético tem grande interesse investigativo, pois há ampla aplicabilidade na spintrônica, como em válvu- las de spins. Devido a possibilidade de preparação de sistemas como estes, em que possam
estabilizar a ordem magnética de nanoelementos com dimensões na ordem de comprimentos fundamentais (comprimento de troca) em que são usados em dispositivos de interesse atuais, torna-se a estabilidade térmica um ponto importante. A variação de temperatura experimentada por estes sistemas podem causar danos funcionais aos dispositivos compostos por eles. A pas- sagem de corrente elétrica pode elevar a temperatura do sistema e é, naturalmente, de grande interesse que ao resfriar haja um retorno ao estado magnético original. Isso nem sempre pode acontecer. Ao aquecer o sistema evolui para a fase magnética natural do ferromagneto e ao res- friar o sistema pode seguir um sequência de estados diferentes, devido à estabilidade da ordem magnética natural do ferromagneto. Como consequência ao fim do resfriamento o sistema pode ser deixado em novo estado. Dessa forma surge o fenômeno de histerese térmica: o estado do sistema magnético depende do processo térmico que ocorreu.
Na figura 2.3 apresentamos uma figura esquemática de histerese térmica onde dife- rentes estados magnéticos podem surgir a cada ponto da curva. Para ilustrar a definição de histerese, citada acima, representamos três pontos no ciclo histerético. O ponto A, em baixa temperatura, o sistema magnético, representado na figura como um dot cilíndrico, origina-se da existência de estados metaestáveis que são controlados pelas modificações impostas pelo acoplamento de troca na interface na ordem magnética intrínseca do nanoelemento ferromag- nético. Ao aquecer o sistema além da temperatura de bloqueio do substrato, como no ponto B, os momentos magnéticos da estrutura magnética em estudo se ajusta gradualmente ao pa- drão magnético imposto pelos seus campos intrínsecos, onde poderão nuclear estado vórtice. No processo de resfriamento pode seguir uma sequência de diferentes fases magnéticas, depen- dendo dos parâmetros do sistema e das competições entre os campos envolvidos, pode ser que haja a evolução destes estados de alta temperatura ou não, como no exemplo da figura 2.3, onde o estado vórtice nucleado em alta temperatura, permanece característico até o ponto C. Assim, temos dois estados possíveis para baixa temperatura que nos dá perfil histerético para o sistema. Diferentes perfis histeréticos podem ser formados, isso depende, como já citamos acima, das condições em que são preparados o sistema (parâmetros intrínsecos e externos ao sistema), os quais tendem a se reestruturarem ao passarem pelo processo de aquecimento e resfriamento.
Figura 2.3: Figura esquemática de histerese térmica