Superparamagnetismul este o formă de magnetism care se manifestă în particule feromagnetice și ferimagnetice . Dacă astfel de particule sunt suficient de mici, atunci trec într-o stare cu un singur domeniu , adică devin magnetizate uniform pe tot volumul. Momentul magnetic al unor astfel de particule poate schimba aleator direcția sub influența temperaturii, iar în absența unui câmp magnetic extern, magnetizarea medie a particulelor superparamagnetice este zero. Dar într-un câmp magnetic extern, astfel de particule se comportă ca paramagneți chiar și la temperaturi sub punctul Curie sau punctul Neel . Cu toate acestea, susceptibilitatea magneticăExistă mult mai mulți superparamagneți decât paramagneți.
Cea mai izbitoare diferență între proprietățile magnetice ale unei nanoparticule cu un singur domeniu față de proprietățile unui feromagnet în vrac este efectul superparamagnetismului. Într-o particulă cu un singur domeniu, temperatura provoacă fluctuații în direcția momentului magnetic în raport cu orientarea sa favorabilă din punct de vedere energetic. Dacă particula este izotropă, atunci natura magnetizării sale va fi similară cu magnetizarea unui ion paramagnetic cu o valoare de spin neobișnuit de mare și va fi descrisă de funcția Langevin . Ansamblurile de astfel de particule izotrope sunt numite ansambluri de particule Langevin. Dacă, pe de altă parte, particulele sunt anizotrope (au anizotropie de formă, anizotropie cristalografică etc.), atunci proprietățile magnetice ale unui ansamblu de astfel de particule vor diferi semnificativ de proprietățile unui ansamblu de particule Langevin.
Primele lucrări de interpretare a proprietăților magnetice ale unui ansamblu de particule anizotrope cu un singur domeniu au fost realizate de fizicienii englezi Stoner și Wohlfarth [1] . Studiul unor soluții solide de metale magnetice și nemagnetice într-un anumit interval al rapoartelor lor a demonstrat valori extrem de mari ale coercitivității , care nu sunt caracteristice unui feromagnet pur. Stoner și Wohlfarth au oferit o interpretare simplă și în același timp de succes a acestor rezultate. Ei au sugerat că o astfel de soluție solidă se descompune în fracții magnetice și nemagnetice, ducând la formarea de particule feromagnetice la scară nanometrică, uniform, dar neordonate într-un mediu nemagnetic. Pe baza considerațiilor că este avantajos din punct de vedere energetic ca astfel de particule mici să fie cu un singur domeniu, ei au presupus că inversarea magnetizării în fiecare dintre ele are loc prin rotația coerentă a tuturor momentelor magnetice ale ionilor din particule, ceea ce, la rândul său, sugerează că valoarea absolută a magnetizării particulei nu se modifică în timpul procesului de inversare a magnetizării. Pe baza acestor idei, oamenii de știință au calculat curbele de inversare a magnetizării pentru diferite ansambluri de particule la T = 0 K. Rezultatele obținute au fost în acord cu datele experimentale, iar această teorie a inversării magnetizării nanoparticulelor a fost recunoscută și rămâne populară și astăzi. Prin urmare, o particulă anizotropă cu un singur domeniu, în care inversarea magnetizării are loc fără a modifica valoarea absolută a magnetizării sale, este denumită în mod obișnuit o particulă Stoner-Wohlfarth ( particulă SW ).
Spre deosebire de proprietățile magnetice ale unui ansamblu de particule Langevin, unde parametrul intern determinant este momentul magnetic al particulei (în sistemele reale, dispersia față de acest parametru), iar parametrul extern este temperatura, proprietățile magnetice ale ansamblurilor de particule SW depind de mulți parametri suplimentari. Cele mai importante dintre ele sunt tipul de anizotropie a particulelor și aranjarea lor reciprocă în ansamblu. Printre parametrii externi, pe lângă temperatură, se adaugă starea inițială a ansamblului (care poate fi de neechilibru) și timpul de observare a ansamblului — timpul de măsurare.
Într-o anumită gamă de câmpuri magnetice, prezența, de exemplu, a anizotropiei uniaxiale în fiecare particulă duce la apariția unei bariere care separă două minime de energie în spațiul de fază al orientărilor momentului magnetic . Durata de viață în fiecare dintre minime va fi determinată de înălțimea și temperatura barierei. Stabilirea echilibrului termodinamic într-un astfel de ansamblu se va produce prin reorientări activate termic ale momentului magnetic prin barieră cu un timp de relaxare caracteristic unei anumite temperaturi.
Deoarece acest proces are loc în timp, atunci, în funcție de timpul de observare a sistemului caracteristic fiecărui experiment (timpul de măsurare) și de temperatură, starea magnetică a ansamblului poate fi împărțită condiționat în două tipuri: blocat și deblocat .
Trecerea la utilizarea ansamblurilor de nanoparticule anizotrope cu un singur domeniu ca purtător de informații, în care orientarea momentului magnetic al fiecărei granule va transporta informații utile, va crește semnificativ densitatea de înregistrare a informațiilor în comparație cu mediile moderne.
În același timp, fenomenul de superparamagnetism inerent particulelor cu un singur domeniu este un factor parazit în această direcție tehnologică, care poate reduce semnificativ durata de stocare a informațiilor (așa-numita limită superparamagnetică ) cu o scădere semnificativă a volumului particulelor. . În plus, atunci când distanța dintre particulele învecinate este suficient de mică, proprietățile magnetice ale unei particule SW individuale încep să fie afectate de efectele interacțiunii dintre particule. Aceasta duce la faptul că valoarea barierei energetice a particulei devine dependentă de orientările momentelor magnetice ale particulelor învecinate. Acesta din urmă complică semnificativ înțelegerea proceselor de inversare a magnetizării într-un astfel de ansamblu care interacționează.
| Stări magnetice | |
|---|---|
| |