Simulation des matériaux magnétiques à base Cobalt par Dynamique Moléculaire Magnétique

Simulation of Cobalt base materials using Magnetic Molecular Dynamics

• Auteur / Autrice : David Beaujouan
• Direction : Cyrille Barreteau
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences des matériaux
• Date : Soutenance le 07/11/2012
• Etablissement(s) : Paris 11
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique de la région parisienne (....-2013)
• Partenaire(s) de recherche : Entreprise : Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (Monts, Indre-et-Loire)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des matériaux magnétiques et optiques (Monts) - CEA Le Ripault
• Jury : Président / Présidente : André Thiaville
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Cyrille Barreteau, André Thiaville, Denis Ledue, Frédéric Legoll, Sergei. L. Dudarev, Mébarek Alouani, Pascal Thibaudeau
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Denis Ledue, Frédéric Legoll
• DOI : 10.70675/12f8fb68zc8a1z4562z98c9z569d2fb7962a

Mots clés

Mots clés contrôlés

Cobalt -- Alliages

Modèles mathématiques

Matériaux magnétiques

Mots clés libres

Dynamique Moléculaire Magnétique

Dynamique de Spin Atomique

Cobalt

Heisenberg

Anisotropie

Magnétostriction

Magnétoélasticité

Superparamagnétisme

Ferromagnétisme

Thermostats

Processus stochastiques et déterministes

Magnetic Molecular dynamics

Atomistic Spin Dynamics

Cobalt

Heisenberg model

Anisotropy

Magnetostriction

Magnetoelasticity

Superparamagnetism

Ferromagnetism

Thermostat

Stochastic and deterministic approaches.

Résumé

Les propriétés magnétiques des matériaux sont fortement connectées à leur structure cristallographique. Nous proposons un modèle atomique de la dynamique d'aimantation capable de rendre compte de cette magnétoélasticité. Bien que ce travail s'inscrive dans une thématique générale de l'étude des matériaux magnétiques en température, nous la particularisons à un seul élément, le Cobalt. Dans ce modèle effectif, les atomes sont décrits par 3 vecteurs classiques qui sont position, impulsion et spin. Ils interagissent entre eux via un potentiel magnéto-mécanique ad hoc. On s'intéresse tout d'abord à la dynamique de spin atomique. Cette méthode permet d'aborder simplement l'écriture des équations d'évolution d'un système atomique de spins dans lequel la position et l'impulsion des atomes sont gelées. Il est toutefois possible de définir une température de spin permettant de développer naturellement une connexion avec un bain thermique. Montrant les limites d'une approche stochastique, nous développons une nouvelle formulation déterministe du contrôle de la température d'un système à spins.Dans un second temps, nous développons et analysons les intégrateurs géométriques nécessaires au couplage temporel de la dynamique moléculaire avec cette dynamique de spin atomique. La liaison des spins avec le réseau est assurée par un potentiel magnétique dépendant des positions des atomes. La nouveauté de ce potentiel réside dans la manière de paramétrer l'anisotropie magnétique qui est la manifestation d'un couplage spin-orbite. L'écriture d'un modèle de paires étendu de l'anisotropie permet de restituer les constantes de magnétostriction expérimentales du hcp-Co. En considérant un système canonique, où pression et température sont contrôlées, nous avons mis en évidence la transition de retournement de spin si particulière au Co vers 695K.Nous finissons par l'étude des retournements d'aimantation super-paramagnétiques de nanoplots de Co permettant de comparer ce couplage spin-réseau aux mesures récentes.

The magnetic properties of materials are strongly connected to their crystallographic structure. An atomistic model of the magnetization dynamics is developed which takes into account magneto-elasticity. Although this study is valid for all magnetic materials under temperatures, this study focuses only on Cobalt. In our effective model, atoms are described by three classical vectors as position, momentum and spin, which interact via an ad hoc magneto-mechanical potential.The atomistic spin dynamics is first considered. This method allows us to write the evolution equations of an atomic system of spins in which positions and impulsions are first frozen. However, a spin temperature is introduced to develop a natural connection with a thermal bath. Showing the limits of the stochastic approach, a genuine deterministic approach is followed to control the canonical temperature in this spin system.In a second step, several geometrical integrators are developed and analyzed to couple together both the molecular dynamics and atomic spin dynamics schemes. The connection between the spins and the lattice is provided by the atomic positions dependence of the magnetic potential. The novelty of this potential lies in the parameterization of the magnetic anisotropy which originates in the spin-orbit coupling. Using a dedicated pair model of anisotropy, the magnetostrictive constants of hcp-Co are restored. In a canonical system where pressure and temperature are controlled simultaneously, the transition of rotational magnetization of Co is found.Finally the magnetization reversals of super-paramagnetic Co nanodots is studied to quantify the impact of spin-lattice coupling respectively to recent measurements.