Superparamagnetizm

Superparamagnetizm — bu kichik ferromagnit yoki ferrimagnit nanozarrachalarda paydo boʻladigan magnitlanish shakli hisoblandi. Yetarlicha kichik nanozarrachalarda magnitlanish harorat taʼsirida tasodifiy yoʻnalishni oʻzgartirishi mumkin boʻladi. Ikki burilish orasidagi odatiy vaqt Neel dam olish vaqti deb ataladi. Tashqi magnit maydon boʻlmaganda, nanozarrachalarning magnitlanishini oʻlchash uchun sarflangan vaqt Néel dam olish vaqtidan ancha uzoqroq boʻlsa, ularning magnitlanishi oʻrtacha nolga teng boʻlib koʻrinadi, nanozarrachalar esa superparamagnit holatda boʻladilar. Bu holatda tashqi magnit maydon nanozarrachalarni xuddi paramagnitga oʻxshab magnitlashga qodir boʻladi. Biroq, ularning magnit sezuvchanligi paramagnetlarga qaraganda ancha katta hisoblanadi.

Magnit maydon yoʻqligida Néel dam olish vaqti

Odatda, har qanday ferromagnit yoki ferrimagnit material Kyuri haroratidan yuqori boʻlgan paramagnit holatga oʻtadi. Superparamagnetizm ushbu standart oʻtishdan farq qiladi, chunki u materialning Kyuri haroratidan past boʻladi.

Superparamagnetizm bir domenli, yaʼni bitta magnit domendan tashkil topgan nanozarrachalarda yuzaga keladi. Bu materiallarga qarab, ularning diametri 3-50 nm dan past boʻlganida mumkin. Bunday holda, nanozarrachalarning magnitlanishi yagona ulkan magnit moment, nanozarracha atomlari tomonidan olib boriladigan barcha individual magnit momentlarning yigʻindisi hisoblanadi. Superparamagnetizm sohasidagilar buni „makro-spin yaqinlashuvi“ deb atashadi.

Nanozarrachaning magnit anizotropiyasi tufayli magnit moment odatda energiya toʻsigʻi bilan ajratilgan, bir-biriga antiparallel boʻlgan faqat ikkita barqaror yoʻnalishga ega. Barqaror yoʻnalishlar nanozarrachaning „oson oʻqi“ deb ataladigan qismini aniqlaydi. Cheklangan haroratda magnitlanishning oʻz yoʻnalishini agʻdarish va teskari aylantirish ehtimoli cheklangan. Ikki burilish orasidagi oʻrtacha vaqt Néel dam olish vaqti deb ataladi $\tau _{\text{N}}$ va quyidagi Neel-Arrhenius tenglamasi bilan berilgan:

$\tau _{\text{N}}=\tau _{0}\exp \left({\frac {KV}{k_{\text{B}}T}}\right)$,

bu yerda:

• $\tau _{\text{N}}$ nanozarrachaning magnitlanishining termal tebranishlar natijasida tasodifiy burilish uchun ketadigan oʻrtacha vaqt uzunligi;
• $\tau _{0}$ urinish vaqti yoki urinish davri deb ataladigan materialga xos boʻlgan vaqt uzunligi(uning oʻzaro munosabati urinish chastotasi) deb ataladi va uning odatiy qiymati 10⁻⁹ va 10⁻¹⁰ sekund oralig‘ida boʻladi;
• K nanozarrachaning magnit anizotropik energiya zichligi va V uning hajmi. Shunday qilib, KV magnitlanishning dastlabki oson oʻqi yoʻnalishidan, „qattiq tekislik“ orqali boshqa qulay oʻq yoʻnalishiga oʻtishi bilan bogʻliq boʻlgan energiya toʻsigʻi;
• k_B — Boltsman doimiysi;
• T — harorat.

Bu vaqt uzunligi bir necha nanosekunddan yillargacha yoki undan ham uzoqroq boʻlishi mumkin.

Bloklash harorati

Tasavvur qilaylik, bitta superparamagnit nanozarrachaning magnitlanishi oʻlchanadi va $\tau _{\text{m}}$ ni oʻlchash vaqti sifatida belgilaymiz. Agar $\tau _{\text{m}}\gg \tau _{\text{N}}$ boʻlsa, nanozarracha magnitlanishi oʻlchov davomida bir necha marta aylanib, oʻlchangan magnitlanish oʻrtacha nolga teng boʻladi. Agar $\tau _{\text{m}}\ll \tau _{\text{N}}$ boʻlsa, magnitlanish oʻlchash vaqtida aylanmaydi, shuning uchun oʻlchangan magnitlanish lahzali magnitlanishning boshida qanday boʻlsa, shunday boʻladi.

Nanozarrachaning holati (superparamagnit yoki blokirovka qilingan) oʻlchash vaqtiga bogʻliq. Superparamagnetizm va bloklangan holat oʻrtasidagi oʻtish $\tau _{\text{m}}=\tau _{\text{N}}$ boʻlganda sodir boʻladi. Bir nechta tajribalarda oʻlchash vaqti doimiy ravishda saqlanadi, lekin harorat oʻzgaradi, shuning uchun superparamagnetizm va bloklangan holat oʻrtasidagi oʻtish haroratning funktsiyasi sifatida koʻrinadi. $\tau _{\text{m}}=\tau _{\text{N}}$ boʻlgan harorat bloklanish harorati deb ataladi:

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

Odatiy laboratoriya oʻlchovlari uchun oldingi tenglamadagi logarifmning qiymati 20-25 tartibida boʻladi. Ekvivalent tarzda, bloklanish harorati — bu material magnitlanishning sekin boʻshashishini koʻrsatadigan harorat hisoblanadi.

Magnit maydon taʼsiri

Langevin funksiyasi (qizil chiziq), ${\textstyle \tanh \left({\frac {1}{3}}x\right)}$ (koʻk chiziq) bilan solishtiriladi.

Superparamagnit nanozarrachalar yigʻindisiga „H“ tashqi magnit maydoni qoʻllanilganda, ularning magnit momentlari qoʻllaniladigan maydon boʻylab tekislanadi va bu aniq magnitlanishga olib keladi. Yigʻishning magnitlanish egri chizigʻi, yaʼni qoʻllaniladigan maydonning funktsiyasi sifatida magnitlanish teskari S shaklidagi ortib borayotgan funktsiya. Bu funktsiya juda murakkab, ammo baʼzi oddiy holatlar uchun:

1. Agar barcha zarralar bir xil boʻlsa(bir xil energiya toʻsigʻi va bir xil magnit moment), ularning oddiy oʻqlarining hammasi qoʻllaniladigan maydonga parallel ravishda yoʻnaltiriladi va harorat yetarlicha past (T_B < T ≲ KV/(10 k_B))boʻladi, yaʼni yigʻilishning magnitlanishi

$M(H)\approx n\mu \tanh \left({\frac {\mu _{0}H\mu }{k_{\text{B}}T}}\right)$

2. Agar barcha zarralar bir xil boʻlsa va harorat yetarlicha yuqori boʻlsa (T ≳ KV/k_B), u holda oddiy yoʻnalishlardan qatʼi nazar oʻqlar:

$M(H)\approx n\mu L\left({\frac {\mu _{0}H\mu }{k_{\text{B}}T}}\right)$

Yuqorida keltirilgan tenglamalarda:

• n — namunadagi nanozarrachalar zichligi;
• ${\textstyle \mu _{0}}$ — vakuumning magnit oʻtkazuvchanligi;
• ${\textstyle \mu }$ nanozarrachaning magnit momenti
• ${\textstyle L(x)={\frac {1}{\tanh(x)}}-{\frac {1}{x}}}$ Langevin funksiyasi;

$M(H)$ funksiyasining dastlabki qiyaligi $\chi$ namunasining magnit sezgirligidir:

$\chi ={\begin{cases}\displaystyle {\frac {n\mu _{0}\mu ^{2}}{k_{\text{B}}T}}&{\text{birinchi holat uchun}}\\\displaystyle {\frac {n\mu _{0}\mu ^{2}}{3k_{\text{B}}T}}&{\text{ikkinchi holat uchun}}\end{cases}}$

Agar nanozarrachalarning oson oʻqlari tasodifiy yoʻnaltirilgan boʻlsa, oxirgi sezuvchanlik barcha $T>T_{\text{B}}$ haroratlari uchun ham amal qiladi.

Bu tenglamalardan koʻrinib turibdiki, katta nanozarralar kattaroq µ va shuning uchun ham kattaroq sezuvchanlikka ega boʻladi.

Magnitlanishning vaqtga bogʻliqligi

Nanozarralar butunlay bloklangan($T\ll T_{\text{B}}$) yoki butunlay superparamagnit ($T\gg T_{\text{B}}$) boʻlganda magnitlanishning vaqtga bogʻliqligi yoʻq. Biroq, $T_{\text{B}}$ atrofida tor oyna mavjud boʻlib, unda oʻlchash vaqti va dam olish vaqti oʻxshash kattalikka ega boʻladi. Bunday holda, sezuvchanlikning chastotaga bogʻliqligi kuzatilishi mumkin:

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

bu yerda

• ${\textstyle {\frac {\omega }{2\pi }}}$ — qo‘llaniladigan maydonning chastotasi;
• ${\textstyle \chi _{\text{sp}}={\frac {n\mu _{0}\mu ^{2}}{3k_{\text{B}}T}}}$ — superparamagnit holatdagi sezgirlik;
• ${\textstyle \chi _{\text{b}}={\frac {n\mu _{0}\mu ^{2}}{3KV}}}$ — bloklangan holatdagi sezuvchanlik;
• ${\textstyle \tau ={\frac {\tau _{\text{N}}}{2}}}$ — yigʻilishning dam olish vaqti boʻladi.

Ushbu chastotaga bogʻliq sezuvchanlikdan, past maydonlar uchun magnitlanishning vaqtga bogʻliqligini aniqlash mumkin:

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

Oʻlchovlar

Superparamagnit tizimini AC sezgirlik oʻlchovlari bilan oʻlchash mumkin. Bu yerda qoʻllaniladigan magnit maydon vaqt oʻtishi bilan oʻzgaradi va tizimning magnit reaktsiyasi oʻlchanadi. Superparamagnit tizim xarakterli chastotaga bogʻliqlikni koʻrsatadi: chastota 1/τ_N dan ancha yuqori boʻlsa, chastota 1/τ_N dan ancha past boʻlganidan farqli oʻlaroq, boshqa magnit javob boʻladi, ferromagnit klasterlar magnitlanishini agʻdarib, maydonga javob berish uchun vaqt topadilar. Aniq bogʻliqlikni Néel-Arrhenius tenglamasidan hisoblash mumkin. Chunki qoʻshni klasterlar bir-biridan mustaqil ravishda harakat qiladi(agar klasterlar oʻzaro taʼsir qilsa, ularning xatti-harakati murakkablashadi). Bundan tashqari, koʻrinadigan toʻlqin uzunligi diapazonida temir oksidi nanozarralari kabi magnit-optik faol superparamagnitik materiallar bilan magnit-optik oʻzgaruvchan tok sezgirligini oʻlchash mumkin.

Qattiq disklarga taʼsiri

Superparamagnetizm foydalanish mumkin boʻlgan zarrachalarning minimal hajmi tufayli qattiq disklarning saqlash zichligiga chek qoʻyadi. Maydon zichligidagi bu chegara superparamagnit chegara sifatida tanilgan hisoblanadi.

Qattiq diskning eski texnologiyasida boʻylama yozuvdan foydalanilgan. Uning taxminiy chegarasi 100 dan 200 Gbit/in² gacha edi.

Hozirgi qattiq disk texnologiyasida esa perpendikulyar yozishdan foydalanilmoqda. 2020-yil iyul oyidan boshlab zichligi taxminan 1 Tbit/in² boʻlgan drayvlar sotuvga chiqarila boshlandi. Bu 1999-yilda bashorat qilingan anʼanaviy magnit yozuvlar chegarasida edi. Hozirgi vaqtda ishlab chiqilayotgan kelajakdagi qattiq disk texnologiyalari quyidagilardan iborat:

• issiqlik bilan ishlaydigan magnit yozuvlar (HAMR)
• mikrotoʻlqinli magnitli yozuvlar (MAMR).

Ularni tayyorlashda ancha kichikroq oʻlchamlarda barqaror boʻlgan materiallardan foydalaniladi.. Bitning magnit yoʻnalishini oʻzgartirishdan oldin ular lokal isitish yoki mikrotoʻlqinli qoʻzgʻatishni talab qiladi. Bundan tashqari, magnitlanishning topologik buzilishlariga asoslangan magnit yozish texnologiyalari taklif qilingan va skyrmionlar deb ataladi.