Суперпарамагнетизм

Физика конденсированного состояния

Фазы · Фазовый переход · QCP
состояния вещества Твердое тело · Жидкость · Газ · Плазма · Конденсат Бозе-Эйнштейна · Бозе-газ · Фермионный конденсат · Ферми-газ · Ферми-жидкость · Сверхтвердое тело · Сверхтекучесть · Жидкость Латтинжера · Временной кристалл
Фазовые явления Параметр заказа · Фазовый переход · QCP
Электронные фазы Электронная структура группы · Плазменные · Изолятор · Мотта изолятор · Полупроводниковый · полуметалл · Проводник · сверхпроводник · Термоэлектрический · Пьезоэлектрический · сегнетоэлектрических · топологическая изолятор · Спин бесщелевого полупроводника
Электронные явления Квантовый эффект Холла · Спиновый эффект Холла · Эффект Кондо
Магнитные фазы Диамагнетик · Супердиамагнетик Парамагнетик · Суперпарамагнетик Ферромагнетик · Антиферромагнетик Метамагнетик · Спиновое стекло
Квазичастицы Фонон · Экситон · Плазмон- поляритон · Полярон · Магнон
Мягкая материя Аморфное твердое вещество · Коллоид · Гранулированный материал · Жидкий кристалл · Полимер
Ученые Ван дер Ваальс · Оннес · фон Лауэ · Брэгг · Дебай · Блох · Онсагер · Мотт · Пайерлс · Ландау · Латтинджер · Андерсон · Ван Флек · Хаббард · Шокли · Бардин · Купер · Шриффер · Джозефсон · Луи Нил · Эсаки · Джавер · Кон · Каданов · Фишер · Уилсон · фон Клитцинг · Бинниг · Рорер · Беднорц · Мюллер · Лафлин · Штёрмер · Ян · Цуй · Абрикосов · Гинзбург · Леггетт
v т е

Суперпарамагнетизм - это форма магнетизма, которая проявляется в небольших ферромагнитных или ферримагнитных наночастицах . В достаточно малых наночастицах намагниченность может произвольно менять направление под действием температуры. Типичное время между двумя переворотами называется временем релаксации Нееля . В отсутствие внешнего магнитного поля, когда время, используемое для измерения намагниченности наночастиц, намного больше, чем время релаксации Нееля, их намагниченность в среднем равна нулю; говорят, что они находятся в суперпарамагнитном состоянии. В этом состоянии внешнее магнитное поле способно намагничивать наночастицы, как парамагнетик . Однако ихмагнитная восприимчивость намного больше, чем у парамагнетиков.

Релаксация Нееля в отсутствие магнитного поля [ править ]

Обычно любой ферромагнитный или ферримагнитный материал претерпевает переход в парамагнитное состояние выше его температуры Кюри . Суперпарамагнетизм отличается от этого стандартного перехода, поскольку он происходит ниже температуры Кюри материала.

Суперпарамагнетизм возникает в наночастицах, которые являются однодоменными , т.е. состоят из одного магнитного домена . Это возможно при их диаметре менее 3–50 нм, в зависимости от материалов. В этом состоянии считается, что намагниченность наночастиц представляет собой единый гигантский магнитный момент, сумму всех индивидуальных магнитных моментов, переносимых атомами наночастицы. Специалисты в области суперпарамагнетизма называют это «приближением макропина».

Из-за магнитной анизотропии наночастицы магнитный момент обычно имеет только две устойчивые ориентации, антипараллельные друг другу, разделенные энергетическим барьером . Стабильные ориентации определяют так называемую «легкую ось» наночастицы. При конечной температуре существует конечная вероятность того, что намагниченность перевернется и изменит свое направление. Среднее время между двумя переворотами называется временем релаксации Нееля и определяется следующим уравнением Нееля – Аррениуса: ^[1] ${\ Displaystyle \ тау _ {\ текст {N}}}$

{\ displaystyle \ tau _ {\ text {N}} = \ tau _ {0} \ exp \ left ({\ frac {KV} {k _ {\ text {B}} T}} \ right)}

,

куда:

${\ Displaystyle \ тау _ {\ текст {N}}}$ таким образом, это средняя продолжительность времени, которое требуется для того, чтобы намагниченность наночастицы произвольно перевернулась в результате тепловых флуктуаций .
${\ displaystyle \ tau _ {0}}$ - отрезок времени, характерный для материала, называемый временем попытки или периодом попытки (его величина, обратная величине, называется частотой попытки ); его типичное значение составляет от 10 ^-9 до 10 ^-10 секунд.
K - плотность энергии магнитной анизотропии наночастицы, а V - ее объем. KV , следовательно, является энергетическим барьером, связанным с намагничиванием, движущимся от своего начального направления легкой оси через «твердую плоскость» к другому направлению легкой оси.
k _B - постоянная Больцмана .
Т - температура.

Этот промежуток времени может составлять от нескольких наносекунд до лет или намного дольше. В частности, можно видеть, что время релаксации Нееля является экспоненциальной функцией от объема зерна, что объясняет, почему вероятность переворота становится быстро пренебрежимо малой для объемных материалов или крупных наночастиц.

Температура блокировки [ править ]

Представим себе, что измеряется намагниченность одиночной суперпарамагнитной наночастицы, и определим как время измерения. Если намагниченность наночастиц изменится несколько раз во время измерения, то измеренная намагниченность будет в среднем равна нулю. Если намагниченность не изменится во время измерения, то измеренная намагниченность будет такой, какой была мгновенная намагниченность в начале измерения. В первом случае наночастица будет находиться в суперпарамагнитном состоянии, тогда как во втором случае она будет казаться «заблокированной» в своем исходном состоянии. ${\ Displaystyle \ тау _ {\ текст {м}}}$ ${\ Displaystyle \ тау _ {\ текст {м}} \ gg \ тау _ {\ текст {N}}}$ ${\ Displaystyle \ тау _ {\ текст {м}} \ ll \ тау _ {\ текст {N}}}$

Состояние наночастицы (суперпарамагнитный или заблокированный) зависит от времени измерения. Переход между суперпарамагнетизмом и заблокированным состоянием происходит, когда . В некоторых экспериментах время измерения поддерживается постоянным, но температура варьируется, поэтому переход между суперпарамагнетизмом и заблокированным состоянием рассматривается как функция температуры. Температура, при которой называется температурой блокировки : ${\ Displaystyle \ тау _ {\ текст {м}} = \ тау _ {\ текст {N}}}$ ${\ Displaystyle \ тау _ {\ текст {м}} = \ тау _ {\ текст {N}}}$

T_{\text{B}}={\frac {KV}{k_{\text{B}}\ln \left({\frac {\tau _{\text{m}}}{\tau _{0}}}\right)}}

Для типичных лабораторных измерений значение логарифма в предыдущем уравнении составляет порядка 20–25.

Влияние магнитного поля [ править ]

Функция Ланжевена (красная линия) по сравнению с (синяя линия).

{\textstyle \tanh \left({\frac {1}{3}}x\right)}

Когда внешнее магнитное поле H применяется к совокупности суперпарамагнитных наночастиц, их магнитные моменты стремятся выровняться вдоль приложенного поля, что приводит к результирующей намагниченности. Кривая намагничивания сборки, то есть намагниченность как функция приложенного поля, представляет собой обратимую S-образную возрастающую функцию . Эта функция довольно сложна, но для некоторых простых случаев:

Если все частицы являются идентичными ( та же энергия барьера и тот же магнитный момент), их легкие оси все ориентированы параллельно приложенному полю , а температура достаточно низка ( Т _Б < Т ≲ кВ / (10 к _В )), то намагниченность сборки составляет
$M(H)\approx n\mu \tanh \left({\frac {\mu _{0}H\mu }{k_{\text{B}}T}}\right)$ .
Если все частицы идентичны и температура достаточно высока ( T ≳ KV / k _B ), то независимо от ориентации легких осей:
$M(H)\approx n\mu L\left({\frac {\mu _{0}H\mu }{k_{\text{B}}T}}\right)$

В приведенных выше уравнениях:

n - плотность наночастиц в образце
${\textstyle \mu _{0}}$ это магнитная проницаемость вакуума
${\textstyle \mu }$ магнитный момент наночастицы
${\textstyle L(x)={\frac {1}{\tanh(x)}}-{\frac {1}{x}}}$ - функция Ланжевена

Начальный наклон функции - это магнитная восприимчивость образца : $M(H)$ $\chi$

\chi ={\begin{cases}\displaystyle {\frac {n\mu _{0}\mu ^{2}}{k_{\text{B}}T}}&{\text{for the 1st case}}\\\displaystyle {\frac {n\mu _{0}\mu ^{2}}{3k_{\text{B}}T}}&{\text{for the 2nd case}}\end{cases}}

Последняя восприимчивость также справедлива для всех температур, если легкие оси наночастиц ориентированы случайным образом. $T>T_{\text{B}}$

Из этих уравнений видно, что большие наночастицы имеют больший µ и, следовательно, большую восприимчивость. Это объясняет, почему суперпарамагнитные наночастицы обладают гораздо большей восприимчивостью, чем стандартные парамагнетики: они ведут себя точно так же, как парамагнетики с огромным магнитным моментом.

Зависимость намагниченности от времени [ править ]

Нет зависимости намагниченности от времени, когда наночастицы либо полностью заблокированы ( ), либо полностью суперпарамагнитны ( ). Однако есть узкое окно, в котором время измерения и время релаксации имеют сопоставимые величины. В этом случае можно наблюдать частотную зависимость восприимчивости. Для случайно ориентированного образца комплексная восприимчивость ^[2] равна: $T\ll T_{\text{B}}$ $T\gg T_{\text{B}}$ $T_{\text{B}}$

\chi (\omega )={\frac {\chi _{\text{sp}}+i\omega \tau \chi _{\text{b}}}{1+i\omega \tau }}

куда

${\textstyle {\frac {\omega }{2\pi }}}$ частота приложенного поля
${\textstyle \chi _{\text{sp}}={\frac {n\mu _{0}\mu ^{2}}{3k_{\text{B}}T}}}$ - восприимчивость в суперпарамагнитном состоянии
${\textstyle \chi _{\text{b}}={\frac {n\mu _{0}\mu ^{2}}{3KV}}}$ это восприимчивость в заблокированном состоянии
${\textstyle \tau ={\frac {\tau _{\text{N}}}{2}}}$ время релаксации сборки

Из этой частотно-зависимой восприимчивости можно вывести временную зависимость намагниченности для слабых полей:

\tau {\frac {\mathrm {d} M}{\mathrm {d} t}}+M=\tau \chi _{\text{b}}{\frac {\mathrm {d} H}{\mathrm {d} t}}+\chi _{\text{sp}}H

Измерения [ править ]

Суперпарамагнитная система может быть измерена с помощью измерений восприимчивости к переменному току , когда приложенное магнитное поле изменяется во времени, и измеряется магнитный отклик системы. Суперпарамагнитная система будет демонстрировать характерную частотную зависимость: когда частота намного выше, чем 1 / τ _N , будет другой магнитный отклик, чем когда частота намного ниже, чем 1 / τ _N , поскольку в последнем случае, но не В первом случае ферромагнитные кластеры успеют отреагировать на поле, изменив свою намагниченность. ^[3]Точная зависимость может быть рассчитана из уравнения Нееля – Аррениуса, предполагая, что соседние кластеры ведут себя независимо друг от друга (если кластеры взаимодействуют, их поведение становится более сложным). Также возможно проводить измерения магнитооптической восприимчивости к переменному току с магнитооптически активными суперпарамагнитными материалами, такими как наночастицы оксида железа, в видимом диапазоне длин волн. ^[4]

Влияние на жесткие диски [ править ]

Суперпарамагнетизм устанавливает предел плотности хранения на жестких дисках из-за минимального размера частиц, которые могут быть использованы. Этот предел поверхностной плотности известен как суперпарамагнитный предел .

В более старых технологиях жестких дисков используется продольная запись . Предполагаемый лимит составляет от 100 до 200 Гбит / дюйм ²^[5].
Современная технология жестких дисков использует перпендикулярную запись . По состоянию на июль 2020 года ^[update]в продаже имеются накопители с плотностью около 1 Тбит / дюйм ² . ^[6] Это предел для обычной магнитной записи, предсказанный в 1999 г. ^[7]^[8]
В настоящее время разрабатываются следующие технологии жестких дисков: магнитная запись с подогревом (HAMR) и магнитная запись с использованием микроволн (MAMR), в которых используются материалы, которые стабильны при гораздо меньших размерах. ^[9] Им требуется локальный нагрев или микроволновое возбуждение, прежде чем можно будет изменить магнитную ориентацию долота. Запись с битовой структурой (BPR) позволяет избежать использования мелкозернистых носителей и является еще одной возможностью ^[10]. Кроме того, были предложены технологии магнитной записи, основанные на топологических искажениях намагниченности, известные как скирмионы . ^[11]

Приложения [ править ]

Общие приложения [ править ]

Феррожидкость : регулируемая вязкость

Биомедицинские приложения [ править ]

Визуализация: контрастные вещества в магнитно-резонансной томографии (МРТ)
Магнитное разделение: разделение клеток, ДНК, белков, ловля РНК
Лечение: адресная доставка лекарств , магнитная гипертермия , магнитофекция.

См. Также [ править ]

Наночастицы оксида железа
Одномолекулярный магнит

Ссылки [ править ]

Заметки [ править ]

^ Нееля, Л. (1949). "Великолепная теория ферромагнетизма в зернах и плавниках с применением дополнительных блюд". Анна. Геофис . 5 : 99–136.(на французском языке; английский перевод доступен в Kurti, N., ed. (1988). Selected Works of Louis Néel . Gordon and Breach. pp. 407–427. ISBN 978-2-88124-300-4.).
^ Гиттлман, JI; Abeles, B .; Бозовский, С. (1974). «Суперпарамагнетизм и релаксационные эффекты в гранулированных пленках Ni-SiO ₂ и Ni-Al ₂ O ₃ ». Physical Review B . 9 (9): 3891–3897. Bibcode : 1974PhRvB ... 9.3891G . DOI : 10.1103 / PhysRevB.9.3891 .
^ Мартиен, Динеш. «Введение в: восприимчивость к переменному току» (PDF) . Квантовый дизайн . Проверено 15 апр 2017 .
^ Vandendriessche, Стефаан; и другие. (2013). «Магнитооптическая гармоническая восприимчивость суперпарамагнитных материалов». Письма по прикладной физике . 102 (16): 161903–5. Bibcode : 2013ApPhL.102p1903V . DOI : 10.1063 / 1.4801837 .
^ Крайдер, MH Магнитная запись за суперпарамагнитным пределом . Конференция по магнетизму, 2000. Сборник технических статей INTERMAG 2000. 2000 IEEE International . п. 575. DOI : 10,1109 / INTMAG.2000.872350 .
^ Музей истории компьютеров: Плотность жесткого диска достигает 1 терабит на квадратный дюйм.
^ Р. Вуд, "Возможность магнитной записи на 1 терабит на квадратный дюйм", IEEE Trans. Magn., Vol. 36, No. 1, pp. 36-42, январь 2000 г.
^ «Hitachi достигает вехи в области нанотехнологий, увеличивая в четыре раза терабайтный жесткий диск» (пресс-релиз). Hitachi . 15 октября 2007 . Проверено 1 сентября 2011 года .
^ Y. Shiroishi et al., "Будущие варианты хранения на жестких дисках", IEEE Trans. Magn., Vol. 45, No. 10, pp. 3816-22, сентябрь 2009 г.
^ Мюррей, Мэтью (2010-08-19). «Изменит ли диски Toshiba с битовой структурой ландшафт жестких дисков?» . Журнал ПК . Проверено 21 августа 2010 .
^ Ферт, Альберт; Крос, Винсент; Сампайо, Жуан (1 марта 2013 г.). «Скирмионы на трассе». Природа Нанотехнологии . 8 (3): 152–156. Bibcode : 2013NatNa ... 8..152F . DOI : 10.1038 / nnano.2013.29 . ISSN 1748-3387 . PMID 23459548 .

Источники [ править ]

Неэль, Л. (1949). "Великолепная теория ферромагнетизма и плавников с применением дополнительных материалов" (PDF) . Анна. Геофис. (На французском). 5 : 99–136.Английский перевод доступен в Kurti, N., ed. (1988). Избранные произведения Луи Нееля . Нью-Йорк: Гордон и Брич. С. 407–427. ISBN 978-2-88124-300-4.
Веллер, Д .; Мозер, А. (1999). «Пределы теплового эффекта при магнитной записи сверхвысокой плотности». IEEE Transactions on Magnetics . 35 (6): 4423–4439. Bibcode : 1999ITM .... 35.4423W . DOI : 10.1109 / 20.809134 .

Внешние ссылки [ править ]

Суперпарамагнетизм наночастиц коферрита.
Презентация PowerPoint о суперпарамагнетизме в pdf

[Neel49-1] Нееля, Л. (1949). "Великолепная теория ферромагнетизма в зернах и плавниках с применением дополнительных блюд". Анна. Геофис . 5 : 99–136.(на французском языке; английский перевод доступен в Kurti, N., ed. (1988). Selected Works of Louis Néel . Gordon and Breach. pp. 407–427. ISBN 978-2-88124-300-4.).

[2] Гиттлман, JI; Abeles, B .; Бозовский, С. (1974). «Суперпарамагнетизм и релаксационные эффекты в гранулированных пленках Ni-SiO ₂ и Ni-Al ₂ O ₃ ». Physical Review B . 9 (9): 3891–3897. Bibcode : 1974PhRvB ... 9.3891G . DOI : 10.1103 / PhysRevB.9.3891 .

[3] Мартиен, Динеш. «Введение в: восприимчивость к переменному току» (PDF) . Квантовый дизайн . Проверено 15 апр 2017 .

[4] Vandendriessche, Стефаан; и другие. (2013). «Магнитооптическая гармоническая восприимчивость суперпарамагнитных материалов». Письма по прикладной физике . 102 (16): 161903–5. Bibcode : 2013ApPhL.102p1903V . DOI : 10.1063 / 1.4801837 .

[5] Крайдер, MH Магнитная запись за суперпарамагнитным пределом . Конференция по магнетизму, 2000. Сборник технических статей INTERMAG 2000. 2000 IEEE International . п. 575. DOI : 10,1109 / INTMAG.2000.872350 .

[6] Музей истории компьютеров: Плотность жесткого диска достигает 1 терабит на квадратный дюйм.

[7] Р. Вуд, "Возможность магнитной записи на 1 терабит на квадратный дюйм", IEEE Trans. Magn., Vol. 36, No. 1, pp. 36-42, январь 2000 г.

[8] «Hitachi достигает вехи в области нанотехнологий, увеличивая в четыре раза терабайтный жесткий диск» (пресс-релиз). Hitachi . 15 октября 2007 . Проверено 1 сентября 2011 года .

[9] Y. Shiroishi et al., "Будущие варианты хранения на жестких дисках", IEEE Trans. Magn., Vol. 45, No. 10, pp. 3816-22, сентябрь 2009 г.

[10] Мюррей, Мэтью (2010-08-19). «Изменит ли диски Toshiba с битовой структурой ландшафт жестких дисков?» . Журнал ПК . Проверено 21 августа 2010 .

[11] Ферт, Альберт; Крос, Винсент; Сампайо, Жуан (1 марта 2013 г.). «Скирмионы на трассе». Природа Нанотехнологии . 8 (3): 152–156. Bibcode : 2013NatNa ... 8..152F . DOI : 10.1038 / nnano.2013.29 . ISSN 1748-3387 . PMID 23459548 .