Superparamagnetismus je forma magnetismu, která se projevuje ve feromagnetických a ferimagnetických částicích. Pokud jsou takové částice dostatečně malé, přejdou do stavu jedné domény , to znamená, že se rovnoměrně zmagnetizují v celém objemu. Magnetický moment takových částic může vlivem teploty náhodně měnit směr a při absenci vnějšího magnetického pole je průměrná magnetizace superparamagnetických částic nulová. Ale ve vnějším magnetickém poli se takové částice chovají jako paramagnety i při teplotách pod Curieovým nebo Neelovým bodem . Nicméně magnetická susceptibilitaExistuje mnohem více superparamagnetů než paramagnetů.
Nejvýraznějším rozdílem v magnetických vlastnostech jednodoménové nanočástice od vlastností objemového feromagnetu je účinek superparamagnetismu. V částici s jednou doménou způsobuje teplota kolísání směru magnetického momentu vzhledem k její energeticky příznivé orientaci. Pokud je částice izotropní, pak bude povaha její magnetizace podobná magnetizaci paramagnetického iontu s neobvykle velkou hodnotou spinu a bude popsána Langevinovou funkcí . Soubory takových izotropních částic se nazývají soubory Langevinových částic. Pokud jsou na druhé straně částice anizotropní (mají tvarovou anizotropii, krystalografickou anizotropii atd.), pak se magnetické vlastnosti souboru takových částic budou výrazně lišit od vlastností souboru Langevinových částic.
První práce na interpretaci magnetických vlastností souboru anizotropních jednodoménových částic provedli angličtí fyzici Stoner a Wohlfarth [1] . Studium některých pevných roztoků magnetických a nemagnetických kovů v určitém rozsahu jejich poměrů prokázalo extrémně vysoké hodnoty koercitivity , které nejsou charakteristické pro čisté feromagnetikum. Stoner a Wohlfarth nabídli jednoduchou a zároveň úspěšnou interpretaci těchto výsledků. Navrhli, že takový pevný roztok se rozkládá na magnetické a nemagnetické frakce, což má za následek tvorbu feromagnetických částic v nanometrovém měřítku, jednotně, ale neuspořádaných v nemagnetickém prostředí. Na základě úvah, že je energeticky výhodné, aby takové malé částice byly jednodoménové, předpokládali, že k obrácení magnetizace v každé z nich dochází prostřednictvím koherentní rotace všech magnetických momentů iontů v částici, což zase naznačuje že absolutní hodnota magnetizace částice se během procesu převrácení magnetizace nemění. Na základě těchto myšlenek vědci vypočítali křivky obrácení magnetizace pro různé soubory částic při T = 0 K. Získané výsledky byly v dobré shodě s experimentálními daty a tato teorie obrácení magnetizace nanočásticemi byla uznána a zůstává dnes populární. Jednodoménová anizotropní částice, ve které dochází k obrácení magnetizace beze změny absolutní hodnoty její magnetizace, se proto běžně nazývá Stoner-Wohlfarth částice ( částice SW ).
Na rozdíl od magnetických vlastností souboru Langevinových částic, kde je určujícím vnitřním parametrem magnetický moment částice (v reálných systémech disperze vzhledem k tomuto parametru) a vnějším parametrem je teplota, magnetické vlastnosti souborů SW částic závisí na mnoha dalších parametrech. Nejdůležitější z nich jsou typ anizotropie částic a jejich vzájemné uspořádání v souboru. K vnějším parametrům se kromě teploty přidává počáteční stav souboru (který může být nerovnovážný) a doba pozorování souboru — doba měření.
V určitém rozsahu magnetických polí vede přítomnost například jednoosé anizotropie v každé částici ke vzniku bariéry oddělující dvě energetická minima ve fázovém prostoru orientací magnetických momentů . Životnost v každém z minim bude určena výškou bariéry a teplotou. K ustavení termodynamické rovnováhy v takovém souboru dojde prostřednictvím tepelně aktivovaných reorientací magnetického momentu přes bariéru s relaxační dobou charakteristickou pro danou teplotu.
Protože k tomuto procesu dochází v čase, pak v závislosti na době pozorování systému charakteristické pro každý experiment (doba měření) a teplotě lze magnetický stav souboru podmíněně rozdělit na dva typy: blokovaný a odblokovaný .
Přechod k využívání souborů jednodoménových anizotropních nanočástic jako nosiče informace, ve kterém orientace magnetického momentu každé granule ponese užitečnou informaci, výrazně zvýší hustotu záznamu informace ve srovnání s moderními médii.
V tomto technologickém směru je zároveň parazitním faktorem fenomén superparamagnetismu vlastní jednodoménovým částicím, který může výrazně zkrátit dobu ukládání informace (tzv. superparamagnetický limit ) při výrazném snížení objemu částic. . Navíc, když je vzdálenost mezi sousedními částicemi dostatečně malá, začnou být magnetické vlastnosti jednotlivé SW částice ovlivňovány účinky mezičásticové interakce. To vede k tomu, že hodnota energetické bariéry částice se stává závislou na orientacích magnetických momentů sousedních částic. Posledně jmenované významně komplikuje pochopení procesů reverzace magnetizace v takto interagujícím souboru.
| Magnetické stavy | |
|---|---|
| |