Einzeldomäne (magnetisch) - Single domain (magnetic)

Single - Domain , in Magnetismus , bezieht sich auf den Zustand eines Ferromagneten , in dem die Magnetisierung nicht über die Magneten variiert. Ein magnetisches Teilchen, das für alle Magnetfelder in einem Einzeldomänen-Zustand bleibt, wird als Einzeldomänen-Partikel bezeichnet (andere Definitionen sind jedoch möglich; siehe unten). Solche Partikel sind sehr klein (im Allgemeinen unter einem Mikrometer Durchmesser). Sie sind auch in vielen Anwendungen sehr wichtig, da sie eine hohe Koerzitivfeldstärke aufweisen . Sie sind die Haupthärtequelle von Hartmagneten , die Träger der magnetischen Speicherung in Bandlaufwerken und die besten Rekorder des magnetischen Feldes der alten Erde (siehe Paläomagnetismus ).

Geschichte

Frühe Theorien der Magnetisierung in Ferromagneten gingen davon aus, dass Ferromagnete in magnetische Domänen unterteilt sind und dass sich die Magnetisierung durch die Bewegung der Domänenwände ändert . Allerdings sagten Frenkel und Dorfman bereits 1930 voraus, dass ausreichend kleine Partikel nur eine Domäne aufnehmen können, obwohl sie die obere Größengrenze für solche Partikel stark überschätzten. Die Möglichkeit von Einzeldomänenpartikeln wurde bis zu zwei Entwicklungen in den späten 1940er Jahren wenig beachtet: (1) Verbesserte Berechnungen der oberen Größengrenze von Charles Kittel und Louis Néel und (2) eine Berechnung der Magnetisierungskurven für Systeme mit Einzeldomänen Partikel von Stoner und Wohlfarth. Das Stoner-Wohlfarth-Modell hat die nachfolgenden Arbeiten enorm beeinflusst und wird immer noch häufig zitiert.

Definitionen eines Eindomänen-Partikels

Frühe Forscher wiesen darauf hin, dass ein Einzeldomänen-Partikel auf mehr als eine Weise definiert werden kann. Vielleicht am häufigsten wird es implizit als ein Teilchen definiert, das sich während des Hysteresezyklus, einschließlich während des Übergangs zwischen zwei solchen Zuständen, in einem Einzeldomänenzustand befindet. Dies ist der Partikeltyp, der durch das Stoner-Wohlfarth-Modell modelliert wird . Es kann sich jedoch in einem Einzeldomänenzustand befinden, außer während der Umkehrung. Oft werden Partikel eines einzelne Domäne , wenn ihre Sättigung betrachtet Remanenz im Einklang mit dem Single-Domain - Zustand. In jüngerer Zeit wurde erkannt, dass der Zustand eines Teilchens für einen bestimmten Bereich von Magnetfeldern eine einzelne Domäne sein und sich dann kontinuierlich in einen ungleichmäßigen Zustand ändern kann.

Eine andere gängige Definition von Einzeldomänenteilchen ist eine, bei der der Einzeldomänenzustand die niedrigste Energie aller möglichen Zustände hat (siehe unten).

Einzeldomänenhysterese

Befindet sich ein Teilchen im Einzeldomänenzustand, weist seine gesamte innere Magnetisierung in dieselbe Richtung. Es hat daher das größtmögliche magnetische Moment für ein Teilchen dieser Größe und Zusammensetzung. Die Größe dieses Moments ist , wobei das Volumen des Teilchens und die Sättigungsmagnetisierung ist . ${\displaystyle \mu =VM_{s}}$${\displaystyle V}$${\displaystyle M_{s}}$

Die Magnetisierung an jeder Stelle eines Ferromagneten kann sich nur durch Rotation ändern. Wenn mehr als eine magnetische Domäne vorhanden ist , beinhaltet der Übergang zwischen einer Domäne und ihrem Nachbarn eine Drehung der Magnetisierung, um eine Domänenwand zu bilden . Domänenwände bewegen sich leicht innerhalb des Magneten und haben eine niedrige Koerzitivfeldstärke . Im Gegensatz dazu ändert ein Teilchen, das in allen Magnetfeldern eine einzige Domäne ist, seinen Zustand durch Drehung der gesamten Magnetisierung als Einheit. Dies führt zu einer viel größeren Koerzitivfeldstärke .

Die am weitesten verbreitete Theorie zur Hysterese in Einzeldomänenteilchen ist das Stoner-Wohlfarth-Modell . Dies gilt für Partikel mit einachsiger magnetokristalliner Anisotropie .

Beschränkungen der Einzeldomänengröße

Experimentell wurde beobachtet, dass, obwohl die Magnetisierung in einer homogenen Probe bei einheitlicher Temperatur einheitlich ist, die Magnetisierungsrichtung im Allgemeinen nicht einheitlich ist, sondern von einem Bereich zum anderen in einer Skala variiert, die visuellen Beobachtungen mit a . entspricht Mikroskop. Eine einheitliche Richtung wird nur durch Anlegen eines Feldes oder durch Auswahl eines Körpers, der selbst von mikroskopischen Abmessungen ist (ein feines Teilchen ) , als Probe erreicht . Der Größenbereich für die ein Ferromagnet Single-Domain worden ist ganz allgemein verengen und ein erstes quantitatives Ergebnis in dieser Richtung ist aufgrund William Fuller Brown, Jr. , der in seinem grundlegenden Papier, rigoros bewiesen (im Rahmen von Mikromagnetik ), obwohl im Spezialfall einer homogenen Radiuskugel , was heute als Browns fundamentaler Satz der Theorie der feinen ferromagnetischen Teilchen bekannt ist . Dieses Theorem besagt die Existenz eines kritischen Radius, so dass der Zustand der niedrigsten freien Energie einer gleichförmiger Magnetisierung ist, wenn (dh die Existenz einer kritischen Größe, unter der kugelförmige ferromagnetische Partikel bei einem angelegten Feld von Null gleichförmig magnetisiert bleiben). Dann kann eine untere Schranke für berechnet werden. Im Jahr 1988 konnte Amikam A. Aharoni den Fundamentalsatz auf den Fall eines gestreckten Sphäroids ausdehnen, indem er dieselbe mathematische Argumentation wie Brown verwendete . Kürzlich wurde Browns fundamentaler Satz über feine ferromagnetische Partikel rigoros auf den Fall eines allgemeinen Ellipsoids ausgedehnt , und eine Abschätzung des kritischen Durchmessers (unter dem das ellipsoide Partikel zu einer einzigen Domäne wird) wurde in Bezug auf die Entmagnetisierungsfaktoren des allgemeinen Ellipsoid. Schließlich wurde gezeigt, dass das gleiche Ergebnis für metastabile Gleichgewichte in kleinen ellipsoiden Partikeln gilt. ${\displaystyle r\,\!}$${\displaystyle r_{c}\,\!}$${\displaystyle r<r_{c}\,\!}$${\displaystyle r_{c}\,\!}$

Obwohl reine Einzeldomänen-Partikel (mathematisch) nur für einige spezielle Geometrien existieren, wird bei den meisten Ferromagneten ein Zustand quasi-gleichförmiger Magnetisierung erreicht, wenn der Durchmesser des Partikels zwischen etwa 25 Nanometer und 80 Nanometer liegt. Der Größenbereich wird unten durch den Übergang zum Superparamagnetismus und oben durch die Bildung multipler magnetischer Domänen begrenzt .

Untergrenze: Superparamagnetismus

Thermische Fluktuationen bewirken, dass sich die Magnetisierung zufällig ändert. Im Einzeldomänenzustand weicht der Moment selten weit vom lokalen stabilen Zustand ab. Energiebarrieren (siehe auch Aktivierungsenergie ) verhindern, dass die Magnetisierung von einem Zustand in einen anderen springt. Wenn die Energiebarriere jedoch klein genug wird, kann das Moment häufig genug von Zustand zu Zustand springen, um das Teilchen superparamagnetisch zu machen . Die Häufigkeit der Sprünge hängt stark exponentiell von der Energiebarriere ab, und die Energiebarriere ist proportional zum Volumen, sodass es ein kritisches Volumen gibt, bei dem der Übergang auftritt. Dieses Volumen kann man sich als das Volumen vorstellen, bei dem die Blockierungstemperatur bei Raumtemperatur liegt.

Obergrenze: Übergang zu mehreren Domänen

Mit zunehmender Größe eines Ferromagneten verursacht der Einzeldomänenzustand aufgrund des entmagnetisierenden Felds steigende Energiekosten . Dieses Feld neigt dazu, die Magnetisierung so zu drehen, dass das Gesamtmoment des Magneten reduziert wird, und bei größeren Magneten ist die Magnetisierung in magnetischen Domänen organisiert . Die Entmagnetisierungsenergie wird durch die Energie der Austauschwechselwirkung ausgeglichen , die dazu neigt, die Spins ausgerichtet zu halten. Es gibt eine kritische Größe, bei der das Gleichgewicht zugunsten des entmagnetisierenden Felds kippt und der Mehrdomänenzustand begünstigt wird. Die meisten Berechnungen der oberen Größengrenze für den Einzeldomänenzustand identifizieren ihn mit dieser kritischen Größe.

Anmerkungen

Verweise