Superparamagnetisme er en form for magnetisme, der viser sig i ferromagnetiske og ferrimagnetiske partikler. Hvis sådanne partikler er små nok, går de over i en enkelt-domænetilstand , det vil sige, at de bliver ensartet magnetiseret i hele volumen. Det magnetiske moment af sådanne partikler kan tilfældigt ændre retning under indflydelse af temperatur, og i fravær af et eksternt magnetfelt er den gennemsnitlige magnetisering af superparamagnetiske partikler nul. Men i et eksternt magnetfelt opfører sådanne partikler sig som paramagneter selv ved temperaturer under Curie -punktet eller Neel-punktet . Imidlertid er den magnetiske modtagelighed af superparamagneter meget større end for paramagneter.
Den mest slående forskel i de magnetiske egenskaber af en enkelt-domæne nanopartikel fra egenskaberne af en bulk ferromagnet er effekten af superparamagnetisme. I en enkelt-domæne partikel forårsager temperaturen fluktuationer i retningen af det magnetiske moment i forhold til dets energetisk gunstige orientering. Hvis partiklen er isotrop, vil arten af dens magnetisering ligne magnetiseringen af en paramagnetisk ion med en usædvanlig stor spinværdi og vil blive beskrevet af Langevin-funktionen . Ensembler af sådanne isotrope partikler kaldes ensembler af Langevin-partikler. Hvis partiklerne derimod er anisotrope (har formanisotropi, krystallografisk anisotropi osv.), så vil de magnetiske egenskaber af et ensemble af sådanne partikler adskille sig væsentligt fra egenskaberne for et ensemble af Langevin-partikler.
De første værker om fortolkningen af de magnetiske egenskaber af et ensemble af anisotrope enkeltdomæne-partikler blev udført af de engelske fysikere Stoner og Wohlfarth [1] . Studiet af nogle faste opløsninger af magnetiske og ikke-magnetiske metaller i et vist område af deres forhold viste ekstremt høje koercivitetsværdier , som ikke er karakteristiske for en ren ferromagnet. Stoner og Wohlfarth tilbød en enkel og samtidig vellykket fortolkning af disse resultater. De foreslog, at en sådan fast opløsning nedbrydes i magnetiske og ikke-magnetiske fraktioner, hvilket resulterer i dannelsen af ferromagnetiske partikler på en nanometerskala, ensartet, men ikke ordnet i et ikke-magnetisk medium. Ud fra overvejelserne om, at det er energetisk fordelagtigt for så små partikler at være enkelt-domæne, antog de, at magnetiseringsvendingen i hver af dem sker gennem den sammenhængende rotation af alle de magnetiske momenter af ionerne i partiklen, hvilket igen tyder på. at den absolutte værdi af magnetiseringen af partiklen ikke ændres under processen med magnetiseringsvending. Baseret på disse ideer beregnede forskerne magnetiseringskurver for forskellige ensembler af partikler ved T = 0 K. De opnåede resultater var i god overensstemmelse med de eksperimentelle data, og denne teori om vending af nanopartikelmagnetisering blev anerkendt og er stadig populær i dag. Derfor kaldes en enkelt-domæne anisotropisk partikel, hvor magnetiseringsvending sker uden at ændre den absolutte værdi af dens magnetisering, almindeligvis en Stoner-Wohlfarth-partikel ( SW-partikel ).
I modsætning til de magnetiske egenskaber af et ensemble af Langevin-partikler, hvor den bestemmende indre parameter er partiklens magnetiske moment (i virkelige systemer, spredningen med hensyn til denne parameter), og den eksterne parameter er temperatur, er ensemblers magnetiske egenskaber af SW-partikler afhænger af mange yderligere parametre. De vigtigste blandt dem er typen af partikelanisotropi og deres indbyrdes arrangement i ensemblet. Blandt de eksterne parametre er der udover temperaturen tilføjet ensemblets begyndelsestilstand (som kan være uligevægt) og observationstidspunktet for ensemblet - måletiden.
I et vist område af magnetiske felter fører tilstedeværelsen af f.eks. enakset anisotropi i hver partikel til fremkomsten af en barriere, der adskiller to energiminima i faserummet af magnetiske momentorienteringer . Levetiden i hvert af minima vil blive bestemt af barrierehøjden og temperaturen. Etableringen af termodynamisk ligevægt i et sådant ensemble vil ske gennem termisk aktiverede reorienteringer af det magnetiske moment gennem barrieren med en afslapningstid, der er karakteristisk for en given temperatur.
Da denne proces opstår i tide, kan den magnetiske tilstand af ensemblet betinget opdeles i to typer, afhængigt af observationstidspunktet for systemets karakteristiske træk ved hvert eksperiment (måletid) og temperatur: blokeret og ublokeret .
Overgangen til brugen af ensembler af enkelt-domæne anisotrope nanopartikler som en informationsbærer, hvor orienteringen af det magnetiske moment af hver granula vil bære nyttig information, vil signifikant øge informationsoptagelsestætheden sammenlignet med moderne medier.
Samtidig er fænomenet superparamagnetisme iboende i enkeltdomæne-partikler en parasitisk faktor i denne teknologiske retning, som kan reducere varigheden af informationslagring markant (den såkaldte superparamagnetiske grænse ) med et betydeligt fald i mængden af partikler . Derudover, når afstanden mellem nabopartikler er tilstrækkelig lille, begynder de magnetiske egenskaber af en individuel SW-partikel at blive påvirket af virkningerne af interpartikelinteraktion. Dette fører til, at værdien af partiklens energibarriere bliver afhængig af orienteringen af de magnetiske momenter af nabopartikler. Sidstnævnte komplicerer betydeligt forståelsen af magnetiseringsreverseringsprocesser i et sådant interagerende ensemble.
| Magnetiske tilstande | |
|---|---|
| |