Materiales Magnéticos, una aproximación Oswaldo Morán C. Departamento de Física Universidad Nacional de Colombia sede Medellín

Efecto Meissner

Magnetoresistancia Colosal (CMR)

Origen del magnetismo  = (e/2me)L a. Movimiento orbital y de espín de e- b. Forma de interacción mutua entre e- Sz = msħ; ms = -1/2, +1/2  = (e/2me)L Sz = -1/2 ħ  down Sz = +1/2 ħ  up

Leyes fundamentales E.ds = q/ε0 B.ds = 0 dB = μ0/4π [Idlxr/r2] Ley Gauss B.ds = 0 dB = μ0/4π [Idlxr/r2] Ley Biot-Savart

Definiciones y Unidades Tres vectores magnéticos H      Campo magnético M      Magnetización B      Inducción magnética  Unidades?  confusión prevalece ! Razón: Magnetostática es presentada en dos formas Polos magnéticos ficticios (CGS) Fuentes de corriente (SI).

Espira de corriente H = I/2r [Amperes/meter, A/m] m = I x Area [Am2] Momento magnético M = m/V   [A/m]  intensidad de la magnetización    = m/mass [Am2/kg]

M/H=  [adim.]  = B/H >> 0 = B/H (vacío) /0 = r Susceptibilidad Magnética Describe los tipos de materiales magnéticos M/H=  [adim.] Permeabilidad Magnética  = B/H >> fácil M 0 = B/H (vacío) /0 = r Comportamiento magnético de un sólido

B = 0(H+M ) [Tesla, T]  campo total 0 = 4p x 10-7 Henry/m [Tm/A], SI 0 = 1, CGS B = H+4pM Gauss Oersted emu/cm3 CGS, Gauss  Oersted  confusión ! Ej.: Btierra = 0.5 Gauss = 0.5 Oersted 0.5 Gauss = 50 mT       [campo B] 0.5 Oersted = 39.8 A/m  [Campo H]

B H M s m  m0 Término Magnético Símbolo SI CGS Factor de conversión Inducción magnet. B Tesla (T) Gauss (G) 1 T = 104 G Campo magnet. H A/m Oersted (Oe) 1 A/m =4p/103 Oe magnetización M emu/cm3 1 A/m = 10-3 emu/cm3 Magnetización mol s Am2/kg emu/g 1 Am2/kg = 1 emu/g Momento magnet. m Am2 emu 1 Am2 = 103emu susceptibilidad vol.  adimensional 4p (SI) = 1 (cgs) Permeabilidad del espacio libre m0 H/m 4px10-7 H/m = 1 (cgs)

Clases de Materials Magnéticos Mejor definición ! M material  Tipo de magnetismo H = 0 H ≠ 0 Toda la materia es magnética !!! Unos mas magnéticos Distinción principal  En algunos materiales no hay interacciones colectivas de m atómicos. En otros la interacción es fuerte.

Comportamiento magnético de la materia Diamagnetismo Paramagnetismo Ferromagnetismo 4.Antiferromagnetismo    5.Ferrimagnetismo Diamagnetismo, paramagnetismo: interaccionas magnéticas colectivas  Magnéticamente no ordenados

 Magnéticos (similar Fe) Ferromagnetismo, Ferrimagnetismo Antiferromagnetismo Orden magnético de rango largo debajo TC Ferromagnetismo, Ferrimagnetismo  Magnéticos (similar Fe)  No “magnéticos” Antiferromagnetismo

Comportamiento magnético de la materia

orbitales llenos, e- apareados 1. Diamagnetismo  propiedad básica de la materia Causa: Comportamiento no cooperativo de los e- orbitando cuando se exponen a un H. mneto= 0 orbitales llenos, e- apareados

Experimentalmente quarzo (SiO2):    -0.62 x x10-8 m3/kg Calcita (CaCO3):  -0.48 x10-8 m3/kg Agua:     -0.90 x10-8 m3/kg

orbitales parcialmente llenos, e- no apareados 2. Paramagnetismo  algunos átomos, mneto  0 orbitales parcialmente llenos, e- no apareados m individuales no interactuan mutuamente ! Fe  e- no apareados Eficiencia H alineamiento m= 1/T

}  = f (H), excepto T << 100 K, H >>  T normales, H moderados para.(+) pequeña > diamag.  = f (H), excepto T << 100 K, H >>  para.  contenido Fe Minerales con Fe = Paramag. T = 300 K } Montmorillonita (arcilla)    13 Nontronita (arcilla rica en Fe)   65 Biotita (silicato)    79 Siderita(carbonato)     100 Pirita (sulfide)     30 Ejemplos X10-8 m3/kg

  3. Ferromagnetismo  Fe, Ni, Co magnetita m  interacción fuerte Origen: Fuerzas de intercambio electrónico Muy intensas  1000 T! 100.000.000 campo terrestre ! Fenómeno cuántico, debido a orientacion relativa de espines de 2 e-  m grande, también a H = 0

Características principales: (1) magnetización espontánea (2) T de ordenamiento magnético magnetización espontánea  Mneta dentro Vmicros. magnetizado uniforme/ en H = 0 [magnetización espontánea (T= 0 K)] = f (espín e-) magnetización de saturación  mmax. inducido en un Hsat.

H = 0 Diferencia entre Mespon y Msat  dominios magnéticos Msat.  propiedad intrínseca, = f( tamaño de partícula), f (T). H = 0

Ferromagnetismo vs. Paramagnetismo Hsat (T) T range (K) c 10-8m3/kg paramagnéticos >10 <<100 ~50 ferromagnéticos ~1 ~300 1000-10000 La2/3Ca1/3MnO3

Temperatura de Curie, TC Magnetita

Histéresis magnética SrRuO3

 4. Ferrimagnetismo Forma compleja de ordenamiento magnético Razón: estructura cristalina Ejemplo. BaO.6Fe2O3: celda unitaria 64 iones Ba y O: m = 0 16 Fe3+ iones alineados parallelo and 8 Fe3+ antiparalelo  M neta paralela a H, pero muy pequeña. ⅛ de los iones contribuyen a M del Material

5. Antifferromagnetismo Canteado, m <<  0

Propiedades magnéticas de minerales Composición Orden Magnético Tc(°C) ss (Am2/kg) Oxidos Magnetite Fe3O4 ferrimagnetic 575-585 90-92 Ulvospinel Fe2TiO2 AFM -153 Hematite aFe2O3 canted AFM 675 0.4 Ilmenite FeTiO2 -233 Maghemite gFe2O3 ~600 ~80 Jacobsite MNFe2O4 300 77 Trevorite NiFe2O4 585 51 Magnesioferrite MgFe2O4 440 21 Sulfuros Pyrrhotite Fe7S8 320 ~20 Greigite Fe3S4 ~333 ~25 Troilite FeS 305 Oxyhydroxides Goethite aFeOOH AFM, weak FM ~120 <1 Lepidocrocite gFeOOH AFM(?) -196 Feroxyhyte dFeOOH ~180 <10 Metals & Alloys Iron Fe FM 770 Nickel Ni 358 55 Cobalt Co 1131 161 Awaruite Ni3Fe 620 120 Wairauite CoFe 986 235

 H = 0 Anisotropía magnética (AM) F fuerte  m espontánea en H = 0 Dependencia de las propiedades magnéticas de una dirección preferida ! Base Teoría de Ferro- y antiferro.  F intercambio e- F fuerte  m espontánea en H = 0 ms  H0 Ferro- y antiferro. no saturados aún en H = 0 ? Saturado R:/ Saturado H = 0 Saturado Saturado  M = 0 (H = 0)

AM  Forma de la Histéresis, control de HC y MS. Anisotropía magnética (AM) Influencia de la estructura cristalina y forma de los granos sobre dirección M ? Tipos de AM 1. Magnetocristalina  estructura cristalina 2. Forma  forma de grano 3. Tensión  tensión aplicada o residual AM  Forma de la Histéresis, control de HC y MS. 1. A. Magnetocristalina  propiedad intrínseca, no función de tamaño de grano y forma.

Experimentalmente Anisotro. magnetocristalina: energía necesaria para deflectar m en un monocristal del eje facial al difícil. Origen eje fácil (difícil): interacción espín-red cristalina (acoplamiento espín-órbita

General concepts 5. Thin Films and multilayers

Pulsed Laser Deposition (PLD) Thin film fabrication a. Physical methods Sputtering Pulsed Laser Deposition (PLD) b. Chemical methods • electrochemical segregation • Sol-gel processes • Spray

? Spintronics = Magnetism + Electronics Conventional Electronics To manipulate S in transport processes Aim: Spin control → +1 grade of freedom for engineering of electronic devices.

Metallic Multilayers (GMR)  Ferromagnetic tunnel junctions  Achievements: Spin-dependent transport processes in: Metallic Multilayers (GMR)  Ferromagnetic tunnel junctions  Ferromagnetic Oxides (CMR)  Semiconductors 

Mechanism of Spintronics 1. I  2. Contribution to electrical transport processes  n   Why ?

  E → I Spin accumulation n n >  F =qE = dp/dt = (ħ/2)k/ Brillouin Zone → I → M 0 → n n >  Co Ag → Ag →

Spin accumulation Half-metallic Ferromagnet (HMF) → Ag → →

→ I Spin Diffusion sd = (lvF/3)1/2 = Spin diffusion length Co Ag sd = (lvF/3)1/2 = Spin diffusion length l = mean free path vF = Fermi velocity  106 m/s = Spin-flip time sd  m (Ag pure) sd 10 nm (Ag + 1% Au Ag + impurities  ℓ,    sd  e.g.

CONTENTS Motivation Materials for Spintronics Fabrication Methods Characterization Techniques Experimental Results Conclusions

Two terminal Spintronics F P F H cryostat Spin valve  hard-disk read-head Function: R > R R  100 % GMR

P Spin valve  polarized light I = f (, ) d When d  sd  HMF HMF spin polariser spin filter I = f (, )

Spin tunneling processes metal insulator IT = f (V, , d) Insulator ≡   = EF-EC

Spin tunneling processes Spin valve  I HMF HMF d   I = 0 H     I  0 = Spin electronic switch

Spin tunneling processes { f (DS ,  ) [ ] I= GV VSTJ > Vmetal (> mV) Spin tunneling junctions (STJ) GSTJ /A < Gmetal/A  → “on” R J Vinput Itotal cross-section  d device characteristics tuned Spin-injector stages New generation tunnel MRAM STJ 

Three terminal Spintronics B C 1 3 F P F pump V 2 Jhonson transistor → → Function: C, floating IEB, pumped VC, monitored  VC = f (E , E) H  VC

Three terminal Spintronics B C 1 3 P F HMF pump V 2 Stationary state: IBC = 0  VC = f (HMF , HMF ) H → IEB → VC

Conclusions The direction leading to a new wave of active spin electronic devices and eventually to single-spin devices is signposted. A closer integration of magnetic with conventional semiconductor technology is possible. A magnetic semiconductor working at RT would be a formidable advance for Spintronics.