Estudi de Materials Magnètics amb Microones

Abstract

La resposta dels materials i/o sistemes físics quan interactuen amb la radiació electromagnètica ens dóna informació sobre les propietats físiques d’aquesta classe de materials i/o sistemes, com per exemple la conductivitat elèctrica, la permeabilitat magnètica, l’isospín d’un nucli atòmic, etc.

Dos exemples són les ressonàncies magnètiques nuclear i electrònica, que consisteixen en sotmetre un material a radiació electromagnètica en el rang de radiofreqüència i microones, freqüències entre el 10 MHz i 300 GHz, i a un camp magnètic estacionari.

En aquesta tesi es presenten els comportaments i/o la resposta de dos materials magnètics en front a la radiació de microones, el qual pertany al rang de freqüències compres entre els 300 MHz i els 300 GHz.

Per aquest propòsit, el Grup de Magnetisme, Superconductivitat, Microones i Baixes temperatures de la Universitat de Barcelona, disposa d’un analitzador de xarxes vectorial model E8361A de la companyia Agilent, que permet analitzar senyals electromagnètiques, transmeses i/o reflectides, entre 10 MHz i 110 GHz.

Les dues classes de materials magnètics que s’han estudiat son: el granat d’itri-ferro, amb composició química corresponent Y3Fe5O12 (YIG) i la manganita de lantà i calci, amb composició química corresponent La0.25Ca0.75MnO3.

En el cas del YIG, encara que és un material magnètic força estudiat, ens vàrem plantejar el seu estudi emprant nous dissenys de ressonadors de microones. Aquest fet, junt amb l’aparició de nous resultats experimentals inesperats, i mancats d’una interpretació, justifiquen el seu estudi en aquesta memòria de tesis.

En el cas de la manganita, ens trobàrem en la situació oposada, no hi ha gaires publicacions sobre mesures experimentals de ressonància electrònica de espín en aquest tipus de materials. Juntament amb l’aparició de nous fenòmens magnètics no publicats, quan es va procedir a la seva sistemàtica i completa caracterització magnètica. Fets que justifiquen el seu estudi en aquesta memòria de tesis.

Aquesta memòria de tesis està organitzada en dos capítols:

El primer capítol està dedicat al granat de d’itri-ferro, material ferrimagnètic a temperatura ambient (la seva temperatura de Curie és de 550 K), i que té les pèrdues d’energia més petites de tots els materials coneguts, quan aquest està sotmès a una senyal electromagnètica de microones. Llavors, aquest material és el més indicat per a l’estudi del fenòmens associats a la ressonància ferromagnètica. Per tant, en aquest capítol es presenta una introducció a la tècnica i a la fenomenologia física associada a la ressonància magnètica; una descripció de les propietats físiques del granat d’itri-ferro i una introducció a l’electrònica de microones. Aquesta última servirà com fonament per comprendre els experiments de ressonància ferromagnètica a temperatura ambient; ja que en ells s’empren tres tipus de ressonadors de microones: dos ressonadors de línia de microtira lambda/2 i un tercer consistent en dos ressonadors lambda/2 de microtira acoblats electrònicament entre ells en els seus centres (en forma de X). Juntament amb l’analizador de xarxes vectorial i un electromagnet, que pot aplicar camps magnètics fins a 0.5 T.

La mostra de YIG ha estat crescuda epitaxialment en les dues cares d’un disc de granat de gadolini-gal.li (Gd3Ga5O12). El conjunt té un gruix de 0.5 mm i un diàmetre de 4 mm; les dues capes de YIG tenen un gruix de 49.6 milimicres cadascuna.

Els resultats experimentals ens mostren tres espectres de absorció associats a tres classes de modes magnetoestàtics, com conseqüència de tres tipus de distribucions espacials de camp magnètic de microones, que sent el disc de YIG. Observats a quatre freqüències de ressonància diferents. I no únicament a una freqüència fixada, sinó en el rang de freqüències que defineixen cada pic de ressonància de cada ressonador.

Els resultats d’aquesta última classe d’experiments mostren una correspondència lineal entre la freqüència de microones i el camp magnètic aplicat, però no correspon amb la relació obtinguda a través de la teoria dels modes magnetoestàtics. Es van realitzar estimacions per descartar qualsevol efecte de potència o acoblament entre les dues capes de YIG, portant a l’única explicació possible que aquests modes magnetoestàtics estan interaccionant amb la radiació electromagnètica que ells mateixos generen en la mostra de YIG.

Arrel d’això, s’ha ideat un model basat en aquesta conclusió, per explicar com canvien les relacions lineals entre la freqüència de microones i el camp magnètic aplicat, en presència de radiació electromagnètica. Model que explica satisfactòriament els resultats obtinguts en les mesures experimentals de ressonància ferromagnètica en YIG.

El segon capítol està dedicat a l’estudi de la manganita La0.25Ca0.75MnO3 des del punt de vista magnètic i de la ressonància electrònica d’espín. Per això, en aquest capítol se realitza una introducció a la família de manganites La(1-x)CaxMnO3 , atenent a la seva fenomenologia magnètica. Degut a això, també es descriu el fenomen del esbiaix d’intercanvi i la dinàmica de sistemes superparamagnètics i de vidres de espín. Aquests seran els fonaments per entendre els resultats de la caracterització magnètica de dues manganites nanogranulars, que anomenarem A i B; les quals fóren fabricades pel mètode sol-gel y calcinades a 600ºC i a 1000ºC respectivament. Per poder realitzar aquestes mesures experimentals, es disposa d’un magnetòmetre MPMS que permet realitzar mesures de magnetització entre 2 K y 350 K, aplicant camps magnètics entre -5 T i 5 T, a més de realitzar mesures de susceptibilitat magnètica a diferents freqüències de camp magnètic altern entre 0.1 Hz i 1500 Hz.

Els resultats obtinguts mostren que els nanogrànuls contenen, des del punt de vista magnètic, un nucli antiferromagnètic i una escorça formada per clústers ferromagnètics, que interactuen a través de l’interacció de intercanvi.

A més, en la mostra B s’observa el fenomen de l’ordenament de càrrega a altes temperatures i la manifestació d’un vidre d’espín interficial a baixes temperatures, entre els clústers ferromagnètics i el nucli antiferromagnètic. Fets molt poc habituals en aquest tipus de mostres i que no es donen en la mostra A.

Finalment, en les mesures de ressonància electrònica d’espín, es van emprar dues classes de ressonadors de microones: un ressonador coaxial i un ressonador de microtira curtcircuitat i alhora connectat en sèrie a una resistència de 50 Ohms, específica per senyals de radiofreqüència i microones. Amb ells, els resultats experimentals obtinguts per a la mostra A concorden amb el model hidrodinàmic per als vidres d’espín. Fet que permet estimar la dependència de la constant giromagnètica i la constant d’anisotropia uniaxial efectiva de la mostra A, amb la temperatura.

La correlació entre l’anisotropia magnètica uniaxial efectiva i la temperatura concorda amb la corresponent als vidres d’espín i/o les nanopartícules magnètiques i a més, permet l’estimació de la seva temperatura d’ ordenament de càrrega, essent aproximadament de 225 K . El factor giromagnètic de la mostra A reflecteix un canvi de la seva estructura cristal.lina, associada als clústers ferromagnètics, mentre va variant la temperatura. Fet que es presenta com una alternativa a l’hora d’estudiar canvis estructurals en els cristalls.

In this doctoral thesis, the response against the microwave electromagnetic radiation of two well differentiated magnetic materials is studied: the yttrium-iron garnet and the nanogranular manganite of chemical composition La0.25Ca0.75MnO3.

In the case of the yttrium-iron garnet (YIG), even though it is a well-known magnetic material, we considered its study using a new sort of microwave resonators. This fact, together with the obtaining of unexpected experimental results without physical interpretation, inspires its study in this thesis.

In the case of the manganite, we had found the opposite situation, in the literature experimental studies in electron spin resonance (ESR) have hardly ever been reported in this kind of materials. Therefore, we decided to perform its study using different microwave resonators. It was necessary, as well, to characterize magnetically the samples to understand their behavior. Precisely in these last experimental measurements, performed following a complete and systematic procedure, we were able to explain new physical phenomenology never reported previously, until now, in this material.

This doctoral thesis, entitled “Study of Magnetic Materials with Microwaves” is arranged in two chapters. The first one is devoted to the study of the ferromagnetic resonance in a disk-shaped YIG sample. The results show the appearance of three types of Magnetostatic Spin Forward Volume Waves (MSFVW), for three kinds of microstrip resonators (two linear ones and one X-shaped), related with three kinds of magnetic spatial distributions. The relationship between the microwave frequency and the applied magnetic field does not follow the theoretical model of MSFVW and, after some estimations, we concluded that this is caused by the interaction between the MSFVW and the electromagnetic radiation generated by them. This new fact is explained theoretically by the development of a new model, considering this last interaction.

The second chapter is devoted to the study of nanogranular manganites of chemical composition La0.25Ca0.75MnO3, from the point of view of their magnetism and their ESR response. A complete and systematic magnetic characterization is performed firstly in two samples, named A and B. Both samples manifest exchange bias interaction between ferromagnetic shell clusters and antiferromagnetic core, in each nanograin. Moreover, in sample B, interficial spin-glass is observed at low temperatures and charge ordering transition at high temperatures. These facts are rarely reported in similar magnetic systems. And they are not observed in sample A. ESR experiments were performed in sample A with a coaxial resonator and a short-circuited microstrip resonator connected to a 50 Ohms series resistor. The results follow the hydrodynamic model, allowing the estimation of the effective magnetic anisotropy constant and the gyromagnetic factor at different temperatures. The first one shows the same thermal behavior expected for nanoparticles and/or spin-glasses, and it also allows the estimation of the charge ordering temperature of sample A around 225 K. The thermal dependence of the gyromagnetic factor shows the expected behaviour for the crystalline structure of a La0.25Ca0.75MnO3 nanoparticle system. This means that the calculation of the thermal behavior of gyromagnetic factor is an alternative to X-ray thermal studies.