The second edition of this book on nanomagnetism presents the basics and latest studies of low-dimensional magnetic nano-objects. It highlights the intriguing properties of nanomagnetic objects, such as thin films, nanoparticles, nanowires, nanotubes, nanodisks and nanorings as well as novel phenomena like spin currents. It also describes how nanomagnetism was an important factor in the rapid evolution of high-density magnetic recording and is developing into a decisive element of spintronics. Further, it presents a number of biomedical applications. With exercises and solutions, it serves as a graduate textbook.

1 Basis of Nanomagnetism . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 1.1 Introduction: The Importance of Nanomagnetism . . . . . . . . . . . . . . . . 5 1.2 The Origin of Nanomagnetic Behavior . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 1.2.1 Sample Dimensions and Characteristic Lengths . . . . . . . . . . . 8 1.2.2 Broken Translation Symmetry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 1.2.3 Nanoscopic Samples and Magnetization Reversal . . . . . . . . . 20 1.3 Dimensionality and Critical Behavior . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 2 Magnetic Domains . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 2.2 Interactions in Magnetic Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 2.2.1 Exchange Interaction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 2.2.2 Magnetostatic Energy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 2.2.3 Magnetic Anisotropy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 2.2.4 Magnetoelastic Energy and Magnetostriction . . . . . . . . . . . . . 37 2.3 Elements of Micromagnetism . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 2.3.1 Equation of Motion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 2.4 Magnetic Domains . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 2.4.1 Domain Wall Width . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 2.4.2 Domain Wall Motion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 2.5 Random Anisotropy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 3 Magnetism of Small Particles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 3.2 Particle Size and Magnetic Behavior . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 3.3 Superparamagnetism . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 3.3.1 Superparamagnetism: The Langevin Function . . . . . . . . . . . . 78 3.4 Surface Effects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78 3.5 The Stoner-Wohlfarth Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 3.5.1 Inhomogeneous Magnetization Reversal . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 3.5.2 Precessional Magnetization Reversal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 3.5.3 Current-Induced Magnetization Reversal . . . . . . . . . . . . . . . . 97 3.6 Interaction Between Particles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 4 Magnetism of Thin Films and Multilayers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 4.1.1 Thin Films: Planar Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110 4.1.2 Thin Films: Laterally Structured Systems . . . . . . . . . . . . . . . . 112 4.2 Anisotropy in Thin Films . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115 4.3 Domain Walls and Magnetization Reversal in Thin Films . . . . . . . . . 116 4.4 Exchange Bias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119 4.5 Interlayer Exchange Coupling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128 5 Introduction to Magnetotransport . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131 5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131 5.2 Spin Dependent Scattering and Giant Magnetoresistance . . . . . . . . . . 138 5.2.1 Valet-Fert Model for GMR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144 5.3 Tunnel Magnetoresistance (TMR) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150 6 Magnetism of Nanodisks, Nanorings and Nanowires . . . . . . . . . . . . . . . 153 6.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153 6.2 Nanodisks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153 6.3 Nanorings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160 6.4 Nanowires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172 7 Magnetic Recording . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177 7.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177 7.2 Principles of Magnetic Recording . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178 7.3 Novel Magnetic Recording Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182 7.3.1 Nanodisk and Nanoring Memories . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183 7.3.2 Domain Wall Memories . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187 A Units in Magnetism . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189 B Physical Constants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193 Authors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195 Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199 Symbols . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204 Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .