Суперпарамагнетизъм

Суперпарамагнетизмъте форма на магнетизъм, който се проявява във феромагнитни и феримагнитни частици. Ако такива частици са достатъчно малки, тогава те преминават веднодомейнсъстояние, т.е. стават равномерно магнетизирани в целия обем. Магнитният момент на такива частици може произволно да променя посоката си под въздействието на температурата и при липса на външно магнитно поле средната магнетизация на суперпарамагнитните частици е нула. Но във външно магнитно поле такива частици се държат като парамагнетици дори при температури под точката на Кюри или точката на Неел. Въпреки това, магнитната чувствителност на суперпарамагнетиците е много по-голяма от тази на парамагнетиците.

Съдържание

Най-забележителната разлика в магнитните свойства на еднодомейн наночастица от свойствата на обемния феромагнетик е ефектът на суперпарамагнетизма. В частица с един домейн температурата причинява колебания в посоката на магнитния момент спрямо нейната енергийно благоприятна ориентация. Ако частицата е изотропна, тогава естеството на нейното намагнитване ще бъде подобно на намагнитването на парамагнитен йон с необичайно голям спин и ще бъде описано от функцията на Ланжевен. Ансамбли от такива изотропни частици се наричат ансамбли от частици Ланжевен. Ако, от друга страна, частиците са анизотропни (имат анизотропия на формата, кристалографска анизотропия и т.н.), тогава магнитните свойства на ансамбъл от такива частици ще се различават значително от свойствата на ансамбъл от частици Ланжевен.

Първите работи по интерпретацията на магнитните свойства на ансамбъл от анизотропни еднодомейнни частици са извършени от английските физици Стоунър и Уолфарт [1] . Изследването на някои твърди разтвори на магнитни и немагнитни метали в определен диапазон на техните съотношения показа изключително високи стойностикоерцитивност, която не е характерна за чист феромагнетик. Стоунър и Уолфарт предлагат проста и в същото време успешна интерпретация на тези резултати. Те предполагат, че такъв твърд разтвор се разлага на магнитни и немагнитни фракции, което води до образуването на феромагнитни частици с нанометров мащаб, равномерно, но не подредени в немагнитна среда. Въз основа на съображенията, че е енергийно изгодно за такива малки частици да бъдат еднодомейни, те приемат, че обръщането на намагнитването във всяка от тях става чрез кохерентното въртене на всички магнитни моменти на йоните в частицата, което от своя страна предполага, че абсолютната стойност на намагнитването на частицата не се променя по време на процеса на обръщане на намагнитването. Въз основа на тези идеи учените изчислиха кривите на обръщане на намагнитването за различни ансамбли от частици приT= 0K. Получените резултати са в добро съответствие с експерименталните данни и тази теория за обръщане на намагнитването на наночастиците е призната и остава популярна днес. Следователно, анизотропна частица с един домейн, в която обръщането на намагнитването се извършва без промяна на абсолютната стойност на нейното намагнитване, обикновено се наричачастица на Стоунър-Волфарт(CB-частица).

За разлика от магнитните свойства на ансамбъл от частици Ланжевен, където определящият вътрешен параметър е магнитният момент на частицата (в реални системи, дисперсията по отношение на този параметър), а външният параметър е температурата, магнитните свойства на ансамблите от SW частици зависят от много допълнителни параметри. Най-важните сред тях са видът на анизотропията на частиците и тяхното взаимно разположение в ансамбъла. Сред външните параметри, в допълнение към температурата, първоначалното състояние на ансамбъла (което може да бъденеравновесно), а времето на наблюдение на ансамбъла е времето на измерване.

В определен диапазон от магнитни полета наличието на, например, едноосна анизотропия във всяка частица води до появата на бариера, разделяща два енергийни минимума във фазовото пространство на ориентациите на магнитния момент. Животът във всеки от минимумите ще се определя от височината на бариерата и температурата. Установяването на термодинамично равновесие в такъв ансамбъл ще се случи чрез термично активирани преориентации на магнитния момент през бариерата с време на релаксация, характерно за дадена температура.

Тъй като този процес се случва във времето, тогава, в зависимост от времето на наблюдение на системата (времето на измерване), характерно за всеки експеримент и температура, магнитното състояние на ансамбъла може условно да бъде разделено на два типа:блокираноинеблокирано.

Блокираното състояние ще съответства на целия температурен диапазон, под определена характерна температура, при която във всяка експериментална точка системата няма време да се приближи до равновесното си състояние по време на определеното време на измерване. В резултат на такова състояние в магнитните свойства на системата ще се появят блокиращи ефекти, свързани с метастабилността на системата, което в случай на магнитостатични измервания с размах на магнитно поле ще съответства на появата на коерцитивност и остатъчна магнетизация (остатъчна намагнитност) върху кривите на обръщане на намагнитването.
Отключеното състояние ще съответства на целия диапазон от температури над същата характерна температура. В този температурен диапазон системата се характеризира с кратко време на релаксация в сравнение с времето на измерване и във всяка експериментална точка системата има време да се приближидо неговото равновесно състояние, съответстващо на тази точка. В резултат на това почти няма да се появят блокиращи ефекти. Стойността на тази характерна температура, разделяща блокираните и неблокираните състояния, се нарича блокираща температура. Стойността му ще зависи силно от времето на измерване, характерно за всеки от експериментите.

Преходът към използването на ансамбли от еднодомейнни анизотропни наночастици като носител на информация, при които ориентацията на магнитния момент на всяка гранула ще носи полезна информация, ще увеличи значително плътността на запис на информация в сравнение със съвременните медии.

В същото време феноменът на суперпарамагнетизма, присъщ на еднодомените частици, е паразитен фактор в това технологично направление, което може значително да намали продължителността на съхранение на информация (така нареченатасуперпарамагнитна граница) със значително намаляване на обема на частиците. Освен това, когато разстоянието между съседните частици е достатъчно малко, магнитните свойства на отделна SW частица започват да се влияят от ефектите на взаимодействие между частиците. Това води до факта, че стойността на енергийната бариера на частицата става зависима от ориентациите на магнитните моменти на съседните частици. Последното значително усложнява разбирането на процесите на обръщане на намагнитването в такъв взаимодействащ ансамбъл.