El superparamagnetismo es una forma de magnetismo que se manifiesta en partículas ferromagnéticas y ferrimagnéticas . Si tales partículas son lo suficientemente pequeñas, pasan a un estado de dominio único, es decir, se magnetizan uniformemente en todo el volumen. El momento magnético de tales partículas puede cambiar aleatoriamente de dirección bajo la influencia de la temperatura y, en ausencia de un campo magnético externo, la magnetización promedio de las partículas superparamagnéticas es cero. Pero en un campo magnético externo, tales partículas se comportan como paramagnetos incluso a temperaturas por debajo del punto de Curie o el punto de Neel . Sin embargo, la susceptibilidad magnética de los superparaimanes es mucho mayor que la de los paraimanes.
La diferencia más llamativa entre las propiedades magnéticas de una nanopartícula de un solo dominio y las propiedades de un ferromagneto a granel es el efecto del superparamagnetismo. En una partícula de un solo dominio, la temperatura provoca fluctuaciones en la dirección del momento magnético en relación con su orientación energéticamente favorable. Si la partícula es isotrópica, entonces la naturaleza de su magnetización será similar a la magnetización de un ion paramagnético con un valor de espín inusualmente grande y será descrita por la función de Langevin . Los conjuntos de tales partículas isotrópicas se denominan conjuntos de partículas de Langevin. Si, por otro lado, las partículas son anisotrópicas (tienen anisotropía de forma, anisotropía cristalográfica, etc.), entonces las propiedades magnéticas de un conjunto de tales partículas diferirán significativamente de las propiedades de un conjunto de partículas de Langevin.
Los primeros trabajos sobre la interpretación de las propiedades magnéticas de un conjunto de partículas anisotrópicas de un solo dominio fueron realizados por los físicos ingleses Stoner y Wohlfarth [1] . El estudio de algunas soluciones sólidas de metales magnéticos y no magnéticos en un cierto rango de sus proporciones demostró valores de coercitividad extremadamente altos , que no son característicos de un ferromagneto puro. Stoner y Wohlfarth ofrecieron una interpretación simple y al mismo tiempo exitosa de estos resultados. Sugirieron que tal solución sólida se descompone en fracciones magnéticas y no magnéticas, lo que da como resultado la formación de partículas ferromagnéticas de escala nanométrica, uniformemente pero no ordenadas en un medio no magnético. Con base en las consideraciones de que es energéticamente ventajoso que partículas tan pequeñas sean de dominio único, asumieron que la inversión de magnetización en cada una de ellas ocurre a través de la rotación coherente de todos los momentos magnéticos de los iones en la partícula, lo que a su vez sugiere que el valor absoluto de la magnetización de la partícula no cambia durante el proceso de inversión de la magnetización. Basándose en estas ideas, los científicos calcularon curvas de inversión de magnetización para diferentes conjuntos de partículas en T = 0 K. Los resultados obtenidos estaban en buen acuerdo con los datos experimentales, y esta teoría de la inversión de la magnetización de nanopartículas fue reconocida y sigue siendo popular en la actualidad. Por lo tanto, una partícula anisotrópica de un solo dominio, en la que se produce una inversión de la magnetización sin cambiar el valor absoluto de su magnetización, se denomina comúnmente partícula de Stoner-Wohlfarth ( partícula SW ).
A diferencia de las propiedades magnéticas de un conjunto de partículas de Langevin, donde el parámetro interno determinante es el momento magnético de la partícula (en sistemas reales, la dispersión con respecto a este parámetro) y el parámetro externo es la temperatura, las propiedades magnéticas de los conjuntos de partículas SW dependen de muchos parámetros adicionales. Los más importantes entre ellos son el tipo de anisotropía de las partículas y su disposición mutua en el conjunto. Entre los parámetros externos, además de la temperatura, se agregan el estado inicial del conjunto (que puede ser de no equilibrio) y el tiempo de observación del conjunto, el tiempo de medición.
En un determinado rango de campos magnéticos, la presencia de, por ejemplo, anisotropía uniaxial en cada partícula conduce a la aparición de una barrera que separa dos mínimos de energía en el espacio de fases de las orientaciones del momento magnético . El tiempo de vida en cada uno de los mínimos vendrá determinado por la altura de la barrera y la temperatura. El establecimiento del equilibrio termodinámico en tal conjunto ocurrirá a través de reorientaciones térmicamente activadas del momento magnético a través de la barrera con un tiempo de relajación característico de una temperatura dada.
Dado que este proceso ocurre en el tiempo, entonces, dependiendo del tiempo de observación del sistema característico de cada experimento (tiempo de medición) y la temperatura, el estado magnético del conjunto se puede dividir condicionalmente en dos tipos: bloqueado y desbloqueado .
La transición al uso de conjuntos de nanopartículas anisotrópicas de un solo dominio como portadores de información, en los que la orientación del momento magnético de cada gránulo transportará información útil, aumentará significativamente la densidad de registro de información en comparación con los medios modernos.
Al mismo tiempo, el fenómeno del superparamagnetismo inherente a las partículas de un solo dominio es un factor parásito en esta dirección tecnológica, que puede reducir significativamente la duración del almacenamiento de información (el llamado límite superparamagnético ) con una disminución significativa en el volumen de partículas. . Además, cuando la distancia entre partículas vecinas es lo suficientemente pequeña, las propiedades magnéticas de una partícula SW individual comienzan a verse afectadas por los efectos de la interacción entre partículas. Esto lleva al hecho de que el valor de la barrera de energía de la partícula se vuelve dependiente de las orientaciones de los momentos magnéticos de las partículas vecinas. Este último complica significativamente la comprensión de los procesos de inversión de la magnetización en un conjunto de interacción de este tipo.
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