J. Phys. France 46, 1355-1366 (1985)
DOI: 10.1051/jphys:019850046080135500

Metastability of a quenched domain structure : experiment and model

P. Molho et J.L. Porteseil

Laboratoire Louis Néel, CNRS-USMG, 166X, 38042 Grenoble Cedex, France

Abstract
We report here on the results of hysteresis loop measurements performed on a polycrystalline Gd toroid in order to study the domain structure (or domain texture) nucleated by cooling down the specimen from a temperature higher than Tc (quenched structure). Those measurements bring to light the strong metastability of such a domain structure. We propose a model, derived from the models of random potential, in which we take into account two possible types of metastability originating from the positions as well as the area of walls. Indeed measurements of the thermal variations of quantities which characterize the hysteresis, performed previously on the same specimen, indicate an increase in the area of domain walls in the neighbourhood of Tc (≈ 20 °C). We assume that after quenching this excess area is still present at the lower temperatures (0 °C). A suitable description of the evolution of the wall area with respect to the amplitude and number of field cycles, as well as a comparison with experimental data, lead to an estimation of the ratio between the wall areas after quenching and demagnetization by a decreasing alternating field (a ratio about 3). From this we deduce the temperature around which the domain structure freezes (ε = (Tc - T)/T c ≈ 2 x 10-4). However, there appear differences between the quenched structure and the alternately demagnetized one, which cannot be accounted for by the single parameter « wall area », and which are presumably topological in nature.

Résumé
Nous présentons des résultats de mesure de cycles d'hystérésis effectués sur un tore de Gd polycristallin, afin d'étudier la structure en domaines (ou texture en domaines) nucléée par refroidissement depuis une température supérieure à T c (structure trempée). Ces mesures montrent, en particulier, la grande métastabilité d'une telle structure en domaines. Nous présentons également un modèle, dérivé des modèles de fonction potentiel aléatoire, dans lequel nous introduisons une possible métastabilité de la position des parois ainsi que de la surface des parois. En effet, des mesures de variations thermiques des quantités caractérisant l'hystérésis, précédemment réalisées sur le même échantillon, suggèrent une augmentation de la surface de parois au voisinage de Tc (20 °C) et on suppose que la trempe permet de ramener à basse température (0 °C) cet excès de parois. La description de l'évolution de la surface de parois en fonction de l'amplitude et du nombre de cycles, et la comparaison avec l'expérience, conduisent à estimer le rapport entre les surfaces de parois après trempe, et après désaimantation par un champ alternatif décroissant (rapport de l'ordre de 3). On en déduit la température vers laquelle doit se congeler la structure en domaines (environ ε = (Tc - T)/Tc ≈ 2 x 10 -4). Il apparait néanmoins des différences entre la structure trempée et la structure désaimantée par champ alternatif dont le seul paramètre « surface de parois » ne peut rendre compte, et qui doivent être de nature topologique.

PACS
7550D - Nonmetallic ferromagnetic materials.
7560C - Domain walls and domain structure.
7560E - Magnetization curves, hysteresis, Barkhausen and related effects.

Key words
demagnetisation -- ferromagnetic properties of substances -- gadolinium -- magnetic domain walls -- magnetic hysteresis -- quenching thermal