Superparamagnetism är en form av magnetism som visar sig i ferromagnetiska och ferrimagnetiska partiklar. Om sådana partiklar är tillräckligt små, övergår de till ett endomänstillstånd , det vill säga de blir likformigt magnetiserade i hela volymen. Det magnetiska momentet för sådana partiklar kan slumpmässigt ändra riktning under påverkan av temperatur, och i frånvaro av ett externt magnetfält är den genomsnittliga magnetiseringen av superparamagnetiska partiklar noll. Men i ett externt magnetfält beter sig sådana partiklar som paramagneter även vid temperaturer under Curie- punkten eller Neel-punkten . Den magnetiska känsligheten hos superparamagneter är dock mycket större än för paramagneter.
Den mest slående skillnaden i de magnetiska egenskaperna hos en nanopartikel med en domän från egenskaperna hos en ferromagnet i bulk är effekten av superparamagnetism. I en endomänspartikel orsakar temperaturen fluktuationer i det magnetiska momentets riktning i förhållande till dess energetiskt gynnsamma orientering. Om partikeln är isotrop, kommer dess magnetisering att likna magnetiseringen av en paramagnetisk jon med ett ovanligt stort spinvärde och kommer att beskrivas av Langevin-funktionen . Ensembler av sådana isotropa partiklar kallas ensembler av Langevin-partiklar. Om, å andra sidan, partiklarna är anisotropa (har formanisotropi, kristallografisk anisotropi, etc.), så kommer de magnetiska egenskaperna hos en ensemble av sådana partiklar att skilja sig väsentligt från egenskaperna hos en ensemble av Langevin-partiklar.
De första arbetena om tolkningen av de magnetiska egenskaperna hos en ensemble av anisotropa endomänpartiklar utfördes av de engelska fysikerna Stoner och Wohlfarth [1] . Studien av vissa fasta lösningar av magnetiska och icke-magnetiska metaller i ett visst intervall av deras förhållanden visade extremt höga koercitivitetsvärden , som inte är karakteristiska för en ren ferromagnet. Stoner och Wohlfarth erbjöd en enkel och samtidigt lyckad tolkning av dessa resultat. De föreslog att en sådan fast lösning sönderdelas i magnetiska och icke-magnetiska fraktioner, vilket resulterar i bildandet av ferromagnetiska partiklar av en nanometerskala, likformigt men inte ordnade i ett icke-magnetiskt medium. Baserat på övervägandena att det är energetiskt fördelaktigt för så små partiklar att vara endomän, antog de att magnetiseringsomkastningen i var och en av dem sker genom den koherenta rotationen av alla magnetiska moment hos jonerna i partikeln, vilket i sin tur antyder att det absoluta värdet av magnetiseringen av partikeln inte förändras under processen för magnetiseringsomkastning. Baserat på dessa idéer beräknade forskarna magnetiseringskurvor för olika ensembler av partiklar vid T = 0 K. De erhållna resultaten stämde väl överens med experimentella data, och denna teori om vändning av nanopartikelmagnetisering erkändes och är fortfarande populär idag. Därför kallas en enkeldomän anisotropisk partikel, i vilken magnetiseringsomkastning sker utan att det absoluta värdet av dess magnetisering ändras, vanligen en Stoner-Wohlfarth-partikel ( SW-partikel ).
I motsats till de magnetiska egenskaperna hos en ensemble av Langevin-partiklar, där den avgörande interna parametern är det magnetiska momentet för partikeln (i verkliga system, spridningen med avseende på denna parameter) och den externa parametern är temperatur, de magnetiska egenskaperna hos ensembler av SW-partiklar beror på många ytterligare parametrar. De viktigaste bland dem är typen av partikelanisotropi och deras inbördes arrangemang i ensemblen. Bland de externa parametrarna, förutom temperaturen, läggs det initiala tillståndet för ensemblen (som kan vara icke-jämvikt) och tiden för observation av ensemblen - mättiden.
I ett visst område av magnetiska fält leder närvaron av till exempel enaxlig anisotropi i varje partikel till uppkomsten av en barriär som separerar två energiminima i fasrummet för magnetiska momentorienteringar . Livslängden i vart och ett av minima kommer att bestämmas av barriärens höjd och temperatur. Etableringen av termodynamisk jämvikt i en sådan ensemble kommer att ske genom termiskt aktiverade omorienteringar av det magnetiska momentet genom barriären med en relaxationstid som är karakteristisk för en given temperatur.
Eftersom denna process inträffar i tid, kan det magnetiska tillståndet för ensemblen villkorligt delas in i två typer: blockerad och oblockerad , beroende på tidpunkten för observation av systemets karaktäristiska för varje experiment (mätningstid) och temperatur .
Övergången till användningen av ensembler av enkeldomänanisotropa nanopartiklar som en informationsbärare, där orienteringen av det magnetiska momentet för varje granul kommer att bära användbar information, kommer avsevärt att öka informationsinspelningstätheten jämfört med moderna medier.
Samtidigt är fenomenet superparamagnetism som är inneboende i endomänpartiklar en parasitisk faktor i denna tekniska riktning, vilket avsevärt kan minska varaktigheten av informationslagring (den så kallade superparamagnetiska gränsen ) med en signifikant minskning av volymen av partiklar . Dessutom, när avståndet mellan närliggande partiklar är tillräckligt litet, börjar de magnetiska egenskaperna hos en individuell SW-partikel att påverkas av effekterna av interpartikelinteraktion. Detta leder till det faktum att värdet på partikelns energibarriär blir beroende av orienteringen av de magnetiska momenten hos närliggande partiklar. Det senare komplicerar avsevärt förståelsen av magnetiseringsreverseringsprocesser i en sådan interagerande ensemble.
| Magnetiska tillstånd | |
|---|---|
| |