Fases moduladas em simulações de Monte Carlo para filmes magnéticos ultrafinos

Abstract

Estudamos um modelo microscópico simples para filmes magnéticos ultrafinos com forte anisotropia uniaxial para fora do plano do filme. A presença de interações competitivas de troca ferromagnética de curto alcance e dipolar de longo alcance resulta numa modulação do parâmetro de ordem em faixas de magnetização alternadas. As faixas podem se organizar de diferentes maneiras à medida que a temperatura aumenta, de acordo com a ordem posicional e orientacional das faixas. Investigamos as fases e transições de fase presentes no modelo através de simulações de Monte Carlo com os algoritmos de Metropolis e de Parallel Tempering. Conseguimos identificar a presença de três fases termodinâmicas: a fase de faixas a baixas temperaturas, que possui ordens posicional e orientacional; a fase nemática em temperaturas intermediárias, que apresenta apenas ordem orientacional; e a fase desordenada chamada líquido-tetragonal em altas temperaturas. A partir de medidas do calor específico e das susceptibilidades dos parâmetros de ordem posicional e orientacional, conseguimos identificar a faixa de temperaturas em que a fase nemática é estável, concordando com resultados prévios e com um dos cenários previstos para esses sistemas magnéticos. Nossos resultados a respeito da natureza das duas transições de fase são inconclusivos devido aos fortes efeitos de tamanho finito, e a investigação de sistemas maiores ainda se faz necessária para caracterizar essas transições.

Abstract: We study a simple microscopic model for ultrathin magnetic films with strong uniaxial anisotropy perpendicular to the film plane. The presence of competing short range ferromagnetic exchange and long-range antiferromagnetic dipolar interactions results in a modulation of the order parameter in stripes with alternating magnetization. These stripes may present different organizations as the temperature is raised, according to the positional and orientational orders of the stripes. We investigate the phases and phase transitions in this model by means of Monte Carlo simulations with the Metropolis and Parallel Tempering algorithms. We were able to identify the presence of three thermodynamic phases: the stripe phase at low temperatures, which presents both positional and orientational orders; the nematic phase at intermediate temperatures, which presents only orientational order; and the disordered phase called tetragonal-liquid at high temperatures. Using the specific heat and order parameter susceptibilities data, we were able to identify the range of temperatures in which the nematic phase is stable, in agreement with previous results and with one of the scenarios for these magnetic systems. Our results regarding the nature of both transitions are still inconclusive due to the strong finite size effects, and the simulation of even larger systems is still necessary in order to characterize these transitions.