Nucleation of magnetisation reversal, from nanoparticles to bulk materials

Jan Vogel; Jérôme Moritz; Olivier Fruchart

doi:10.1016/j.crhy.2006.10.011

Nucleation of magnetisation reversal, from nanoparticles to bulk materials
[Nucléation du renversement de l'aimantation, des nanoparticules aux systèmes macroscopiques]

Jan Vogel ¹ ; Jérôme Moritz ² ; Olivier Fruchart ¹

¹ Laboratoire Louis-Néel (CNRS), 25, rue des Martyrs, B.P. 166, 38042 Grenoble cedex 9, France
² SPINTEC (URA 2512 CNRS/CEA), CEA/Grenoble, 17, rue des Martyrs, 38054 Grenoble cedex 9, France

Comptes Rendus. Physique, Volume 7 (2006) no. 9-10, pp. 977-987.

Résumé
Abstract

Nous passons en revue différents modèles traitant de la nucléation dans des systèmes magnétiques. La nucléation est l'étape qui initie le renversement de l'aimantation dans des objets magnétiques préalablement saturés en champ. Pour des particules d'extension spatiale réduite—typiquement inférieure à la largeur de paroi de domaines magnétiques—les modèles de renversement collectif, homogène (modèle de Stoner–Wohlfarth) ou par exemple de type ‘curling’ donnent un bon accord avec l'expérience. Pour des objets microscopiques et des couches minces, nous discutons deux approches, l'une supposant le renversement homogène de l'aimantation dans un volume d'activation de taille réduite, l'autre fondée sur l'énergie de formation d'une gouttelette. Cette dernière est calculée en tenant compte de l'énergie de volume (terme Zeeman) et de surface (énergie de paroi). Les deux approches sont utilisées pour déterminer des volumes d'activation ou ajuster des courbes expérimentales. Il semblerait que le modèle de gouttelette soit plus pertinent pour expliquer les variations thermiques des champs de renversement ou leur comportement dynamique. Dans les systèmes macroscopiques, les inhomogénéités du matériau donnent lieu à des distributions d'énergie de barrière qu'il est nécessaire d'intégrer dans les calculs. Ainsi les paramètres comme l'anisotropie ou l'échange peuvent donner une indication de la coercitivité, mais il est en général difficile de prévoir sa valeur exacte.

We review models for the nucleation of magnetisation reversal, i.e. the formation of a region of reversed magnetisation in an initially magnetically saturated system. For small particles, models for collective reversal, either uniform (Stoner–Wohlfarth model) or non-uniform like curling, provide good agreement between theory and experiment. For microscopic objects and thin films, we consider two models, uniform (Stoner–Wohlfarth) reversal inside a nucleation volume and a droplet model, where the free energy of an inverse bubble is calculated, taking into account volume energy (Zeeman energy) and surface tension (domain wall energy). In macroscopic systems, inhomogeneities in magnetic properties cause a distribution of energy barriers for nucleation, which strongly influences effects of temperature and applied field on magnetisation reversal. For these systems, macroscopic material parameters like exchange interaction, spontaneous magnetisation and magnetic anisotropy can give an indication of the magnetic coercivity, but exact values for nucleation fields are, in general, hard to predict.

Publié le : 2006-11-01

DOI : 10.1016/j.crhy.2006.10.011

Keywords: Nucleation, Magnetisation reversal, Magnetic thin films, Thermal activation
Mot clés : Nucléation, Renversement de l'aimantation, Couches minces magnétiques, Activation thermique

Affiliations des auteurs :

Jan Vogel ¹ ; Jérôme Moritz ² ; Olivier Fruchart ¹

¹ Laboratoire Louis-Néel (CNRS), 25, rue des Martyrs, B.P. 166, 38042 Grenoble cedex 9, France
² SPINTEC (URA 2512 CNRS/CEA), CEA/Grenoble, 17, rue des Martyrs, 38054 Grenoble cedex 9, France

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Jan Vogel; Jérôme Moritz; Olivier Fruchart. Nucleation of magnetisation reversal, from nanoparticles to bulk materials. Comptes Rendus. Physique, Volume 7 (2006) no. 9-10, pp. 977-987. doi : 10.1016/j.crhy.2006.10.011. https://comptes-rendus.academie-sciences.fr/physique/articles/10.1016/j.crhy.2006.10.011/

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