Muro de dominio (magnetismo)

Un muro de dominio es un término utilizado en física que puede tener significados similares en magnetismo , óptica o teoría de cuerdas . Todos estos fenómenos pueden describirse de manera genérica como solitones topológicos que ocurren siempre que una simetría discreta se rompe espontáneamente . ^[1]

En magnetismo , una pared de dominio es una interfaz que separa los dominios magnéticos . Es una transición entre diferentes momentos magnéticos y, por lo general, sufre un desplazamiento angular de 90° o 180°. Una pared de dominio es una reorientación gradual de los momentos individuales a lo largo de una distancia finita. El espesor de la pared de dominio depende de la anisotropía del material, pero, en promedio, abarca alrededor de 100 a 150 átomos.

La energía de una pared de dominio es simplemente la diferencia entre los momentos magnéticos antes y después de que se creara la pared de dominio. Este valor se expresa generalmente como energía por unidad de área de pared.

El ancho de la pared del dominio varía debido a las dos energías opuestas que la crean: la energía de anisotropía magnetocristalina y la energía de intercambio ( ), las cuales tienden a ser lo más bajas posible para estar en un estado energético más favorable. La energía de anisotropía es más baja cuando los momentos magnéticos individuales están alineados con los ejes de la red cristalina, reduciendo así el ancho de la pared del dominio. Por el contrario, la energía de intercambio se reduce cuando los momentos magnéticos están alineados paralelos entre sí y, por lo tanto, hace que la pared sea más gruesa, debido a la repulsión entre ellos (donde la alineación antiparalela los acercaría, trabajando para reducir el espesor de la pared). Al final, se alcanza un equilibrio entre los dos y el ancho de la pared del dominio se establece como tal.${\displaystyle J_{\mathrm {ex} }}$

Una pared de dominio ideal sería completamente independiente de la posición, pero las estructuras no son ideales y, por lo tanto, se atascan en sitios de inclusión dentro del medio, también conocidos como defectos cristalográficos . Estos incluyen átomos faltantes o diferentes (extraños), óxidos, aislantes e incluso tensiones dentro del cristal. Esto evita la formación de paredes de dominio y también inhibe su propagación a través del medio. Por lo tanto, se requiere un mayor campo magnético aplicado para superar estos sitios.

Téngase en cuenta que las paredes del dominio magnético son soluciones exactas a las ecuaciones no lineales clásicas de los imanes ( modelo de Landau-Lifshitz , ecuación no lineal de Schrödinger , etc.).

Dado que las paredes de dominio pueden considerarse como capas delgadas, su simetría se describe mediante uno de los 528 grupos de capas magnéticas. ^{[2] [3]} Para determinar las propiedades físicas de la capa, se utiliza una aproximación continua que conduce a grupos de capas puntuales. ^[4] Si se considera la operación de traslación continua como identidad , estos grupos se transforman en grupos puntuales magnéticos . Se demostró ^[5] que hay 125 grupos de este tipo. Se encontró que si un grupo puntual magnético es piroeléctrico y/o piromagnético, entonces la pared de dominio lleva polarización y/o magnetización respectivamente. ^[6] Estos criterios se derivaron de las condiciones de aparición de la polarización uniforme ^{[7] [8]} y/o magnetización . ^{[9] [10]} Después de su aplicación a cualquier región no homogénea, predicen la existencia de partes pares en funciones de la distribución de parámetros de orden. La identificación de las partes impares restantes de estas funciones se formuló ^[11] con base en transformaciones de simetría que interrelacionan dominios . La clasificación de simetría de las paredes del dominio magnético contiene 64 grupos de puntos magnéticos . ^[12]

Se han demostrado predicciones basadas en simetría de la estructura de las paredes del dominio multiferroico utilizando acoplamiento fenomenológico a través de derivadas espaciales de magnetización ^[13] y/o polarización ^[14] (flexomagnetoeléctricas). ^[15]

Las inclusiones no magnéticas en el volumen de un material ferromagnético o las dislocaciones en la estructura cristalográfica pueden provocar el "fijamiento" de las paredes del dominio (ver animación). Estos sitios de fijación hacen que la pared del dominio se asiente en un mínimo de energía local y se requiere un campo externo para "desfijar" la pared del dominio de su posición fija. El acto de desfijación provocará un movimiento repentino de la pared del dominio y un cambio repentino del volumen de ambos dominios vecinos; esto causa el ruido de Barkhausen .

Una pared de Bloch es una región de transición estrecha en el límite entre dominios magnéticos , sobre la cual la magnetización cambia de su valor en un dominio al del siguiente, llamada así en honor al físico Felix Bloch . En una pared de dominio de Bloch, la magnetización gira alrededor de la normal de la pared de dominio. En otras palabras, la magnetización siempre apunta a lo largo del plano de la pared de dominio en un sistema 3D, en contraste con las paredes de dominio de Néel.

Las paredes de dominio de Bloch aparecen en materiales a granel, es decir, cuando los tamaños de material magnético son considerablemente mayores que el ancho de la pared de dominio (según la definición de ancho de Lilley ^[16] ). En este caso, la energía del campo de desmagnetización no afecta la estructura micromagnética de la pared. También son posibles casos mixtos cuando el campo de desmagnetización cambia los dominios magnéticos ( dirección de magnetización en los dominios) pero no las paredes de dominio. ^[17]

Una pared de Néel es una región de transición estrecha entre dominios magnéticos , llamada así por el físico francés Louis Néel . En la pared de Néel, la magnetización gira suavemente desde la dirección de magnetización dentro del primer dominio a la dirección de magnetización dentro del segundo. A diferencia de las paredes de Bloch, la magnetización gira alrededor de una línea que es ortogonal a la normal de la pared del dominio. En otras palabras, gira de manera que apunta hacia afuera del plano de la pared del dominio en un sistema 3D. Consiste en un núcleo con rotación que varía rápidamente, donde los puntos de magnetización son casi ortogonales a los dos dominios, y dos colas donde la rotación decae logarítmicamente. Las paredes de Néel son el tipo común de pared de dominio magnético en películas muy delgadas, donde la longitud de intercambio es muy grande en comparación con el espesor. Sin anisotropía magnética, las paredes de Néel se extenderían por todo el volumen.

• Ilustración de un muro de Bloch y Néel
• Animación de transición de pared de Bloch
• Estabilidad 2-d del muro de Néel, Antonio DeSimone, Hans Knüpfer y Felix Otto en Cálculo de variaciones y ecuaciones diferenciales parciales , 2006