Однодоменный (магнитный) - Single domain (magnetic)

Единый домен, в магнетизм, относится к состоянию ферромагнетик^[1] в которой намагничивание не меняется по магниту. Магнитная частица, которая остается в однодоменном состоянии для всех магнитных полей, называется однодоменная частица (но возможны и другие определения; см. ниже).^[2] Такие частицы очень маленькие (обычно ниже микрометр в диаметре). Они также очень важны во многих приложениях, потому что имеют высокий принуждение. Они являются основным источником твердости в жесткие магниты, носители магнитное хранилище в ленточные накопители, и лучшие регистраторы древних Магнитное поле Земли (видеть палеомагнетизм ).

История

Ранние теории намагничивание в ферромагнетики предположили, что ферромагнетики делятся на магнитные домены и что намагниченность изменялась движением доменные стены. Однако еще в 1930 году Френкель и Дорфман предсказали, что достаточно маленькие частицы могут удерживать только один домен, хотя они сильно переоценили верхний предел размера таких частиц.^[3] Возможность однодоменных частиц не привлекала особого внимания до двух событий в конце 1940-х годов: (1) улучшенные расчеты верхнего предела размера Киттелем и Неелем и (2) расчет кривых намагничивания для систем однодоменных частиц с помощью Стоунер и Вольфарт.^[4][5] В Модель Стоунера – Вольфарта оказал огромное влияние на последующие работы и до сих пор часто цитируется.

Определения однодоменной частицы

Ранние исследователи отметили, что однодоменная частица может быть определен более чем одним способом.^[6] Возможно, наиболее часто это неявно определяется как частица, которая находится в однодоменном состоянии на протяжении всего цикла гистерезиса, в том числе во время перехода между двумя такими состояниями. Это тип частицы, моделируемой Модель Стоунера – Вольфарта. Однако он может находиться в однодоменном состоянии, за исключением периода реверсирования. Часто частицы считаются однодоменными, если их насыщение остроту согласуется с однодоменным состоянием. Совсем недавно стало понятно, что состояние частицы может быть однодоменным для некоторого диапазона магнитных полей, а затем непрерывно переходить в неоднородное состояние.^[7]

Еще одно распространенное определение однодоменная частица - это состояние, в котором однодоменное состояние имеет самую низкую энергию из всех возможных состояний (см. ниже).

Однодоменный гистерезис

Если частица находится в однодоменном состоянии, все ее внутренние намагничивание направлен в том же направлении. Следовательно, он имеет максимально возможное магнитный момент для частицы такого размера и состава. Величина этого момента ${ displaystyle mu = VM_ {s}}$, куда ${ displaystyle V}$ - объем частицы и ${ displaystyle M_ {s}}$ это намагниченность насыщения.

Намагниченность в любой точке ферромагнетика может изменяться только вращением. Если их больше одного магнитный домен, переход между одним доменом и его соседом включает поворот намагниченности с образованием доменная стена. Доменные стенки легко перемещаются внутри магнита и имеют низкий принуждение. Напротив, частица, которая является однодоменной во всех магнитных полях, изменяет свое состояние путем вращения всей намагниченности как целого. Это приводит к гораздо большему принуждение.

Наиболее широко используемой теорией гистерезиса в однодоменной частице является теория Модель Стоунера – Вольфарта. Это относится к частице с одноосным магнитокристаллическая анизотропия.

Ограничения на размер одного домена

Экспериментально наблюдается, что, хотя величина намагниченности однородна по всему однородному образцу при постоянной температуре, направление намагниченности в целом неоднородно, а меняется от одной области к другой в масштабе, соответствующем визуальным наблюдениям с микроскоп. Равномерность направления достигается только путем приложения поля или выбора в качестве образца тела, которое само имеет микроскопические размеры ( мелкая частица).^[6] Диапазон размеров, при котором ферромагнетик становится однодоменным, обычно довольно узок, и первый количественный результат в этом направлении связан с Уильям Фуллер Браун младший который в своей фундаментальной статье^[8] строго доказано (в рамках Микромагнетизм ), хотя в частном случае однородной сферы радиуса ${ Displaystyle г , !}$, что в настоящее время известно как Основная теорема Брауна теории мелких ферромагнитных частиц. Эта теорема утверждает существование критического радиуса ${ displaystyle r_ {c} , !}$ такое, что состояние с наименьшей свободной энергией является состоянием однородной намагниченности, если ${ Displaystyle г <г_ {с} , !}$ (то есть существование критического размера, при котором сферические ферромагнитные частицы остаются равномерно намагниченными в нулевом приложенном поле). Нижняя граница для ${ displaystyle r_ {c} , !}$ затем можно вычислить. В 1988 г. Амикам А. Ахарони,^[9] используя те же математические рассуждения, что и Браун, он смог распространить основную теорему на случай вытянутый сфероид. Недавно,^[10] Фундаментальная теорема Брауна о мелких ферромагнитных частицах была строго распространена на случай общий эллипсоид, а оценка критического диаметра (при котором эллипсоидальная частица становится однодоменной) дана в терминах размагничивающие факторы общего эллипсоида.^[11] В конце концов, тот же результат оказался верным для метастабильных равновесий в малых эллипсоидальных частицах.^[12]

Хотя чистые однодоменные частицы (математически) существуют только для некоторых специальных геометрий, для большинства ферромагнетиков состояние квазиоднородности намагниченности достигается, когда диаметр частицы находится между примерно ${ displaystyle 10}$ нанометры и ${ displaystyle 100}$ нанометры^{[нужна цитата ]}(Крис Биннс, Введение в нанонауку и технологии, стр.31, Wiley). Диапазон размеров снизу ограничен переходом к суперпарамагнетизм и выше путем образования множественных магнитные домены.

Нижний предел: суперпарамагнетизм

Температурные колебания вызвать намагничивание изменяться случайным образом. В однодоменном состоянии момент редко отклоняется от локального устойчивого состояния. Энергетические барьеры (см. Также энергия активации ) предотвращают скачок намагниченности из одного состояния в другое. Однако, если энергетический барьер становится достаточно маленьким, момент может перескакивать из состояния в состояние достаточно часто, чтобы частица суперпарамагнитный. Частота скачков сильно экспоненциально зависит от энергетического барьера, а энергетический барьер пропорционален объему, поэтому существует критический объем, при котором происходит переход. Этот объем можно рассматривать как объем, при котором температура блокировки находится при комнатной температуре.

Верхний предел: переход на несколько доменов

По мере увеличения размера ферромагнетика однодоменное состояние требует увеличения затрат энергии из-за размагничивающее поле. Это поле имеет тенденцию вращать намагниченность таким образом, чтобы уменьшить полный момент магнита, и в больших магнитах намагниченность организована в виде магнитные домены. Размагничивающая энергия уравновешивается энергией обменное взаимодействие, что позволяет выравнивать вращения. Существует критический размер, при котором баланс наклоняется в пользу размагничивающего поля и многодоменный состояние благоприятствует. Большинство расчетов верхнего предела размера для однодоменного состояния отождествляют его с этим критическим размером.^[13][14][15]

Примечания

Рекомендации