Untersuchung magnetischer Nanomaterialien mit Monte-Carlo-Simulation und Magnetometrie
Final Report Abstract
Dieses Forschungsvorhaben untersucht in Kooperation mit der experimentellen Gruppe um Prof. Kleemann in Duisburg das komplexe Verhalten von Systemen aus magnetischen Nanoteilchen. Hierzu haben wir umfangreiche Monte-Carlo-Simulationen durchgeführt unter Berücksichtigung der Anisotropieenergie und Polydispersivität der einzelnen Teilchen, sowie der Dipol-Dipol-Wechselwirkung zwischen Ihnen und – nach neueren experimentellen Ergebnissen der Kooperationspartner – auch einer (schwachen) ferromagnetischen Austauschwechselwirkung zwischen dicht benachbarten Teilchen. Wir fanden als erstes wichtiges Ergebnis, dass bereits in geordneten kubischen Systemen mit ausgerichteten Anisotropieachsen ein spinglas¨ahnliches Relaxationsverhalten mit eingefrorener Unordnung auftritt. Dies konnten wir auf mikroskopischer Ebene verstehen und beschreiben: Infolge der Dipol-Wechselwirkung bilden die einzelnen magnetischen Momente stabile Ketten aus, die auf das weitere Relaxationsverhalten einen stabilisierenden Einfluss ausüben, indem sie Wachstumszentren für Domänen aus weiteren Ketten bilden. Die auf diese Weise sehr schnell entstehenden einzelnen Domänen passen aber nicht alle zusammen, so dass der Grundzustand schon für verhältnismäßig kleine Systeme auf realistischen Zeitskalen nicht mehr zu erreichen ist. Vielmehr müssten dazu ganze Ketten ihre Orientierung andern um eine einzige antiferromagnetische Domäne zu bilden. Es ist zu erwarten, dass ähnliche Ketten (bzw. lineare Strukturen) auch in ungeordneten Geometrien auftreten und vergleichbare Wirkungen zeigen. Dies haben wir in Simulationen zu Alterungsprozessen sowohl an geordneten als auch an ungeordneten Strukturen untersucht. Tatsächlich zeigten alle betrachteten Systeme gewisse Alterungseffekte, was ebenfalls auf ein Spinglasverhalten hindeutet. Interessanterweise waren die Alterungseffekte aber bei geordneten Systemen stärker als bei ungeordneten. Die wichtigste Rolle kam den Anisotropieachsen zu: waren diese ausgerichtet, so waren die Alterungseffekte (auch bei Systemen mit ungeordneter flüssigkeitsartiger Anordnung der Teilchen) signifikant größer als bei Systemen mit nicht ausgerichteten Anisotropieachsen. Die strukturelle Anordnung der Teilchen (kubisch oder flüssigkeitsartig) spielte eine wesentlich geringere Rolle. Um schließlich das von unseren Kooperationspartnern gefundene superferromagnetische Verhalten an 2D-Schichtstrukturen zu verstehen, etablierten wir in unseren Programmen auch eine zusätzliche ferromagnetische Austausch-Wechselwirkung und führten erste Relaxationsuntersuchungen an geordneten kubischen Systemen durch. Dabei stellte sich heraus, dass zwar bei Relaxation aus einem ferromagnetischen Anfangszustand für große Systeme keine remanente Magnetisierung zu erwarten ist, wohl aber ferromagnetische Domänen endlicher Größe. Frühere Ergebnisse über remanente Magnetisierungen an kleinen geordneten, wie auch ungeordneten Systemen sind daher höchstwahrscheinlich auf Finite-Size-Effekte zurückzuführen. Dagegen vermuten wir bei den hier gefundenen ferromagnetischen Domänen ähnliche Mechanismen wie bei dem von der Gruppe um Prof. Kleemann gefundenen Superferromagnetismus an Schichtstrukturen. Eine nähere Untersuchung dieser Domänen an realistischen Schichtstrukturen wird daher Ziel eines Folgeantrags sein.
Publications
- Anomalous superferromagnetic relaxation behavior in ordered magnetic structures, Frühjahrstagung der Deutschen Physikalischen Gesellschaft, Dresden 2006
S. Russ und A. Bunde
- Monte Carlo simulations of frozen metastable states in ordered systems of ultrafine magnetic particles; Phys. Rev. B 74, 064426 (2006)
S. Russ und A. Bunde
- Ising-like dynamics and frozen states in systems of ultrafine magnetic particles; Phys. Rev. B 75 174445 (2007)
S. Russ und A. Bunde
