суперпарамагнетизм

СУПЕРПАРАМАГНЕТИЗМ - квазипарамагнитное поведение систем, состоящих из совокупности очень мелких ферро- или ферримагнитных частиц (см. Парамагнетизм). Малым частицам этих веществ свойственно однодоменное состояние (см. Однодоменные частицы)с однородной самопроизвольной намагниченностью по всему объёму частицы. При дальнейшем уменьшении размеров частиц, но при сохранении намагниченности (т. е. при темп-ре ниже Кюри точки)возрастает вероятность тепловых флуктуации ориентации магнитного момента М частицы. Вектор М ориентируется вдоль легчайшего направления намагничивания, определяемого суммарной магнитной анизотропией частицы, поэтому для поворота вектора М из этого направления необходимо преодолеть энергетич. барьер ~ KV, где К-константа суммарной анизотропии, V-объём частицы. Вектор М может изменить ориентацию, когда ср. энергия kТ тепловых флуктуации делается сопоставимой с энергией анизотропии KV или превышает её: kT>=KV. В типичных ферро- или ферримагнетиках K~10⁷ -10³ эрг/см³. Т. о., при темп-ре Т~100 К (Больцмана постоянная k~10^-16 эрг/К), когда kT~10^-14 эрг, влияние тепловых флуктуации становится заметным для частиц, объём к-рых меньше 10^-21 -10^-17 см³ (линейные размеры меньше 1 - 10 нм). Цри этих условиях магн. моменты частиц ведут себя по отношению к воздействию внеш. магн. поля Н и темп-ры Т подобно парамагнитному газу атомов или молекул, с той лишь разницей, что в газе в результате тепловых флуктуации (столкновений) изменяют положение и пространственную ориентацию сами магнитно-активные атомы (молекулы) вместе со своими моментами, тогда как однодоменные ферро- или ферримагнитные частицы в твёрдом теле остаются неподвижными, происходит лишь изменение ориентации их магн. момента М под влиянием тепловых флуктуации. Несмотря на это различие, эффект оказывается в обоих случаях одинаковым. Это и позволило Бину (С. P. Bean, 1955) ввести термин "С." [1 ]. На саму возможность броуновского вращения моментов частиц впервые указал Л. Неель (L. Neel, 1949) [2]. Т. о., в системах с С. элементарными носителями магнетизма являются не отд. атомы (молекулы), а макрочастицы, содержащие до 10⁹ -10⁶ атомов. Зависимость относит. намагниченности М/М₀ систем с С. (М₀ - магн. насыщение при T=0 К) от H и Т, как и для парамагн. газов, даётся ф-лой Ланжевена

В силу больших значений М в системах с С. зависимость (*) реализуется в легко достижимых полях Н. Размер частиц с С. можно определить по измерению начального наклона зависимости (*), равного M/3kT. Можно определить как времена релаксации момента, так и др. равновесные и кинетич. магн. характеристики С.

Типичными примерами систем с С. являются сплавы меди с кобальтом (2% Со), мелкие выделения железа в b-латуни (0,1% Fe), сплавы Сu с Мn, Аu и Ni, тонкие порошки Ni, нек-рых ферритов и др.

Мелкие однодоменные частицы могут существовать не только в твердотельных ферро- и ферримагнитных сплавах и соединениях, но и в магнитных жидкостях (суспензиях), к-рые получаются диспергированием ферро- или ферри-магн. частиц в однодоменном состоянии в обычных жидкостях. Именно в этих системах С. впервые наблюдался В. Эльмором (W. Elmor, 1938) [3]. В суспензии однодомен-ных частиц равновесное распределение магн. моментов достигается вращением самих частиц благодаря их броуновскому движению. В этом случае время релаксации должно существенно зависеть от вязкости жидкости. Наконец возможны ещё квантовомеханич. изменения ориентации моментов М частиц (туннельные переходы, см. Туннельный эффект).

С. интересен не только как специфич. магн. явление; исследования С. позволяют независимо определить ряд магн. параметров, напр. температурный ход самопроизвольной намагниченности или точку Кюри. Кроме того, изучение С. открывает новые возможности для тонких структурных исследований, напр. в дисперсионно твердеющих сплавах, поскольку изучение С. позволяет разработать весьма чувствительные неповреждающие методы определения распределения частиц по размерам, состав выпадающей магн. фазы в начальных стадиях её зарождения и роста. Бином и Джекобсом (1956) был разработан метод, аналогичный гранулометрии - определение размеров мелких ферромагн. частиц в коллоидных растворах [4]. С. также применяется и при изучении магнетизма горных пород.

Л. Неель [5] показал, что мелкие частицы антиферромагнетиков (диам. 5 нм) также обладают особыми магн. свойствами, похожими на С., поскольку в них происходит нарушение полной компенсации моментов магн. подрешё-ток - они ведут себя при этом как ферримагн. частицы в состоянии С. Для менее мелких антиферромагн. частиц Неелъ предсказал явление, отличное от С., и назвал его с у п е р а н т и ф е р р о м а г н е т и з м о м. В этих частицах ещё не нарушена полная компенсация моментов подрешё-ток. Но если поверхность частиц имеет вид хорошо развитых кристаллографич. плоскостей и если у части из них узлы принадлежат к одному из типов магн. подрешёток (ферромагн. плоскость), то их магн. свойства оказываются зависящими от числа этих плоскостей в частице. При нечётном числе плоскостей частицы обладают С., при чётном - начальная антиферромагн. восприимчивость (при H=0) частиц возрастает вдвое по сравнению с массивным образцом и стремится к обычному значению с ростом поля (доказано экспериментально на частицах антиферромагнетика NiO [5]). С. представляет интерес также в связи с исследованиями поликристаллов [6].

Лит.: 1) Bean С. P., Hysteresis loops of mixtures of ferromagnetic micropowders, "J. Appl. Phys.", 1955, v. 26, p. 1381; Bean C. P., Livings ton J. D., Superparamagnetism, "J. Appl. Phys.", Suppl., 1959, v. 30, № 4, p. 120; 2) Neel L., Influence des fluctuations ther-miques sur l'aimantation de grains ferromagnetiques tres fins, "Compt. Rend. Acad. Sci.", 1949, v. 228, № 8, p. 664; его же, Theorie du trainage magnetique des ferromagnetiques en grains fins avee application aux terres enites, "Ann. Geophys.", 1949, v. 5, № 2, p. 99; 3) El-more W. C., Ferromagnetic colloids forstudying magnetic structures, "Phys. Rev.", 1938, v. 54, p. 309; его же, The magnetization of ferromagnetic colloids, там же, р. 1092; 4) Bean С. P., Jacobs I. S., Magnetic granulometry and super-magnetism, "J. Appl. Phys.", 1956, v. 27, p. 1448; 5) Neel L., Superparamagnetisme des grains tres fins antiferromagnetiques, "Compt. Rend. Acad. Sci.", 1961, v. 252, № 26, p. 4075, 1961, v. 253, № 1, p. 9; 1962, v. 254, № 4, p. 598; 6) Труды Международной конференции по магнетизму - 94, Варшава, секция D 32, Poznan, 1994, с. 502. С. В. Вонсовский.

   <<      Предметный указатель      >>