Superparamagnetismi on magnetismin muoto, joka ilmenee ferromagneettisina ja ferrimagneettisina hiukkasina. Jos tällaiset hiukkaset ovat tarpeeksi pieniä, ne siirtyvät yhden alueen tilaan, toisin sanoen ne magnetoituvat tasaisesti koko tilavuudessa. Tällaisten hiukkasten magneettinen momentti voi satunnaisesti muuttaa suuntaa lämpötilan vaikutuksesta, ja ulkoisen magneettikentän puuttuessa superparamagneettisten hiukkasten keskimääräinen magnetoituminen on nolla. Mutta ulkoisessa magneettikentässä tällaiset hiukkaset käyttäytyvät paramagneetteina jopa Curie- pisteen tai Neel-pisteen alapuolella olevissa lämpötiloissa . Kuitenkin magneettinen herkkyysSuperparamagneetteja on paljon enemmän kuin paramagneetteja.
Silmiinpistävin ero yksidomainisen nanohiukkasen magneettisissa ominaisuuksissa bulkkiferromagneetin ominaisuuksista on superparamagnetismin vaikutus. Yksidomeenisessa hiukkasessa lämpötila aiheuttaa vaihteluita magneettisen momentin suunnassa suhteessa sen energeettisesti suotuisaan orientaatioon. Jos hiukkanen on isotrooppinen, sen magnetisoitumisen luonne on samanlainen kuin paramagneettisen ionin magnetoituminen, jolla on epätavallisen suuri spin -arvo , ja sitä kuvaa Langevin-funktio . Tällaisten isotrooppisten hiukkasten ryhmiä kutsutaan Langevin-hiukkasten ryhmiksi. Jos toisaalta hiukkaset ovat anisotrooppisia (on muoto-anisotropia, kristallografinen anisotropia jne.), tällaisten hiukkasten joukon magneettiset ominaisuudet eroavat merkittävästi Langevin-hiukkasten joukon ominaisuuksista.
Englantilaiset fyysikot Stoner ja Wohlfarth suorittivat ensimmäiset työt anisotrooppisten yksidomeenisten hiukkasten magneettisten ominaisuuksien tulkinnasta [1] . Joidenkin magneettisten ja ei-magneettisten metallien kiinteiden liuosten tutkiminen tietyllä niiden suhteiden alueella osoitti erittäin korkeita koersitiiviarvoja , jotka eivät ole ominaisia puhtaalle ferromagneetille. Stoner ja Wohlfarth tarjosivat yksinkertaisen ja samalla onnistuneen tulkinnan näistä tuloksista. He ehdottivat, että tällainen kiinteä liuos hajoaa magneettisiksi ja ei-magneettisiksi fraktioiksi, mikä johtaa nanometrin mittakaavan ferromagneettisten hiukkasten muodostumiseen tasaisesti, mutta ei järjestettynä ei-magneettisessa väliaineessa. Perustuen näkemyksiin, että tällaisten pienten hiukkasten on energeettisesti edullista olla yksialueisia, he olettivat, että magnetisaation kääntyminen niissä tapahtuu hiukkasessa olevien ionien kaikkien magneettisten momenttien koherentin pyörimisen kautta, mikä puolestaan viittaa että hiukkasen magnetisoitumisen itseisarvo ei muutu magnetisoinnin käänteisprosessin aikana. Näiden ajatusten perusteella tutkijat laskivat magnetisoinnin kääntökäyrät eri hiukkasryhmille lämpötilassa T = 0 K. Saadut tulokset olivat hyvin sopusoinnussa kokeellisten tietojen kanssa, ja tämä nanohiukkasten magnetoinnin käänteinen teoria tunnustettiin ja on edelleen suosittu tänään. Siksi yksidomainista anisotrooppista hiukkasta, jossa magnetisoitumisen kääntyminen tapahtuu muuttamatta sen magnetoinnin itseisarvoa, kutsutaan yleisesti Stoner-Wohlfarth-hiukkaseksi ( SW-hiukkas ).
Toisin kuin Langevin-hiukkasten joukon magneettiset ominaisuudet, joissa määräävä sisäinen parametri on hiukkasen magneettinen momentti (todellisissa järjestelmissä dispersio suhteessa tähän parametriin) ja ulkoinen parametri on lämpötila, ryhmien magneettiset ominaisuudet SW-hiukkasten määrä riippuu monista lisäparametreista. Tärkeimmät niistä ovat hiukkasten anisotropian tyyppi ja niiden keskinäinen järjestys kokonaisuudessa. Ulkoisiin parametreihin lisätään lämpötilan lisäksi ryhmän alkutila (joka voi olla epätasapainoinen) ja kokonaisuuden tarkkailuaika - mittausaika.
Tietyllä magneettikenttien alueella esimerkiksi yksiaksiaalisen anisotropian esiintyminen kussakin hiukkasessa johtaa esteen muodostumiseen, joka erottaa kaksi energiaminimia magneettisen momentin orientaatioiden vaiheavaruudessa . Jokaisen minimin käyttöikä määräytyy esteen korkeuden ja lämpötilan mukaan. Termodynaamisen tasapainon muodostuminen tällaisessa kokonaisuudessa tapahtuu magneettisen momentin termisesti aktivoitujen uudelleenorientaatioiden kautta esteen läpi tietylle lämpötilalle ominaisella rentoutumisajalla.
Koska tämä prosessi tapahtuu ajassa, riippuen kunkin kokeen järjestelmän havainnointiajasta (mittausaika) ja lämpötilasta ryhmän magneettinen tila voidaan jakaa ehdollisesti kahteen tyyppiin: estetty ja estetty .
Siirtyminen yksidomeenisten anisotrooppisten nanopartikkelien ryhmittymien käyttöön tiedonvälittäjänä, jossa kunkin rakeen magneettisen momentin suunta kantaa hyödyllistä tietoa, lisää merkittävästi tiedon tallennustiheyttä nykyaikaisiin tietovälineisiin verrattuna.
Samaan aikaan superparamagnetismin ilmiö, joka on luontainen yksittäisille hiukkasille, on loistekijä tässä teknologisessa suunnassa, mikä voi lyhentää merkittävästi tiedon tallennuksen kestoa (ns. superparamagneettinen raja ) vähentämällä merkittävästi hiukkasten tilavuutta. . Lisäksi kun vierekkäisten hiukkasten välinen etäisyys on riittävän pieni, hiukkasten välisen vuorovaikutuksen vaikutukset alkavat vaikuttaa yksittäisen SW-hiukkasen magneettisiin ominaisuuksiin. Tämä johtaa siihen, että hiukkasen energiaesteen arvo tulee riippuvaiseksi viereisten hiukkasten magneettisten momenttien orientaatioista. Jälkimmäinen vaikeuttaa merkittävästi magnetisoinnin käänteisprosessien ymmärtämistä tällaisessa vuorovaikutuksessa olevassa kokonaisuudessa.
| Magneettiset tilat | |
|---|---|
| |