Superparamagnetism

Allikas: Vikipeedia

Superparamagnetism on üks magnetismi vorm, mis on iseloomulik ferromagneetilistele ja ferrimagneetilistele nanoosakestele. Kui osakese diameeter on piisavalt väike, siis võib tema magneetumuse suund temperatuuri mõjul spontaanselt vastassuunas pöörata. Välise magnetvälja puudumisel on osakeste keskmine magneetumus seega null (puudub hüstereesi nähtus): öeldakse, et osakesed on superparamagneetilises olekus. Selles olekus võib materjali välise magnetvälja abil magneetuda nagu paramagnetit. Materjalil superparamagneetilises olekus on aga palju suurem magnetiline vastuvõtlikkus.

Tavaliselt ferromagneetiline või ferrimagneetiline materjal muutub paramagneetikuks temperatuuril kõrgem kui Curie temperatuur. Superparamagnetismi korral toimub see üleminek ka madalamal temperatuuril.

Superparamagneetilist süsteemi saab uurida mõõtes AC vastuvõtlikkust. Sel juhul rakendatav magnetväli muutub ajas sinusoidaalselt ja mõõdetakse süsteemi magneetilisi omadusi.

Néeli relaksatsioon magnetvälja puudumisel[muuda | redigeeri lähteteksti]

Superparamagnetism tekib, kui tegemist on ühedomeeniliste osakestega (iga osake on eraldi magnetdomeen). Sõltuvalt materjalist on see võimalik osakeste diameetril 3-50 nm.

Kuna nanoosakestele on iseloomulik magnetiline anisotroopia, siis magnetmoment omab vaid kahte stabiilset olekut, mis on vastassuunalised ja on eraldatud energeetilise barjääriga. Need kaks suunda defineerivad nn "kerged" teljed. Kindlal temperatuuril on olemas lõplik tõenäosus selleks, et osakese magneetumus muudab oma suunda (ühest kergest teljest teisele). Kahe niisuguse ümberpööramise vahelist aega nimetatakse Néeli relaksatsiooni ajaks.

Néeli-Arrheniuse võrrandi järgi võrdub see aeg[1]:

\tau_N = \tau_0 \exp \left(\frac{K V}{k_B T}\right),

kus:

  • \tau_N on keskmine aeg vajalik selleks, et osakese magneetumus pööraks ümber termilise fluktuatsiooni tõttu;
  • \tau_0 on materjalile karakteerne aeg; tüüpiliseks väärtuseks on 10−9–10−10 sekundit;
  • K on osakese magnetilise anisotroopia energiatihedus ja V on osakese ruumala. KV on seega energiabarjäär, mis on seotud magneetumuse suuna muutusega ühest kergest teljest teisele läbi rasket telje;
  • kB on Boltzmanni konstant;
  • T on temperatuur.

See aeg võib varieeruda nanosekunditest aastateni. Andmed näitavad, et Néeli relaksatsiooni aeg on eksponentfunktsioon tera ruumalast, mis selgitab, miks magneetumise suuna muutus on ebatõenäoline massiliste materjalide (bulk materials) puhul.

Blokeeriv temperatuur[muuda | redigeeri lähteteksti]

Olgu \tau_m ajahetk, millal mõõdetakse üksiku superparamagneetilise osakese magneetumist. Kui \tau_m \gg \tau_N, siis enne mõõtmist jõuab osakese magneetumine muuta oma suunda vastupidiseks mitu korda (keskmiselt on selle väärtus seega null). Kui \tau_m \ll \tau_N, siis magneetumise suund jääb samaks, mis ta oli mõõtmise algushetkel. Esimesel juhul räägitakse osakesest superparamagneetilises olekus, teisel juhul nimetatakse osakest "blokeeritud oma algseisundis". Seega, nanoosakese olek sõltub mõõtmise ajahetkest. Üleminek kahe oleku vahel toimub, kui \tau_m = \tau_N. Sellele vastavat temperatuuri nimetatakse blokeerivaks temperatuuriks ja see võrdub:

T_B = \frac{K V}{k_B \ln \left(\frac{\tau_m}{\tau_0}\right)}

Magnetvälja mõju[muuda | redigeeri lähteteksti]

Kui superparamagneetiliste nanoosakeste kogumile on rakendatud väline magnetväli, siis osakeste magnetmomendid orienteeruvad magnetväljaga samas suunas.

Juhul, kui osakesed on identsed (sama energeetiline barjäär ja sama magnetmoment) ja temperatuur on piisavalt madal (TB < T ≲ KV/(10 kB)), võrdub osakeste kogumi magneetumine M:

M(H) \approx n \mu \tanh\left(\frac{\mu_0 H \mu}{k_B T}\right).

Kui osakesed on identsed ja temperatuur on piisavalt suur (T ≳ KV/kB), siis


M(H) \approx n \mu L\left(\frac{\mu_0 H \mu}{k_B T}\right).

Antud võrrandites

Funktsiooni M(H) tõus on magnetiline vastuvõtlikkus \chi:

\chi = \frac{n \mu_0 \mu^2}{k_BT} esimesel juhul
\chi = \frac{n \mu_0 \mu^2}{3k_BT} teisel juhul.

Mida suurem on nanoosake, seda suurem on tema magnetmoment. Võrranditest saab selgeks, miks superparamagneetilised osakesed omavad suurema magnetilise vastuvõtlikuse võrreldes tavaliste paramagnetitega - see sõltub magnetmomendi ruudust.

Kasutamine[muuda | redigeeri lähteteksti]

Efekti mõju mäludele[muuda | redigeeri lähteteksti]

Kuna superparamagneetiliste osakeste puhul praktiliselt puudub hüstereesi nähtus (koertsiivsus ja jääkmagneetumus võrduvad nulliga), superparamagneetiliste materjalide kasutamine salvestuskeskkonnana ei ole võimalik. Selleks, et superparamagnetismi hävitada, võib alandada temperatuuri, suurendada osakeste läbimõõtu või anisotroopiat, nii et KV > k_B T.

Ferrovedelikud[muuda | redigeeri lähteteksti]

Ferrovedelikud tavaliselt ei säilita magneetumust välise magnetvälja puudumisel ja seetõttu võib neid klassifitseerida superparamagnetiteks. Ferrovedelik on magnetväljas tugevalt polariseeruv vedelik, mis koosneb kandvast vedelikust (orgaaniline solvent või vesi) ja selles suspenseeritud üliväikestest magneetiliste omadustega osakestest (ferromagneetilised või ferrimagneetilised nanoosakesed). Üheks ferrovedelikute kasutamisvaldkonnaks on magnetresonantstomograafia, kus ferrovedeliku kasutatakse kontrastainena.

Teised kasutusvaldkonnad[muuda | redigeeri lähteteksti]

  • Suure tundlikkusega magnetvälja sensor
  • Hüpertermia
  • Ravimite transport (kasutades superparamagnetilisi raudoksiid nanoosakesi (SPIONs))

Viited[muuda | redigeeri lähteteksti]

  1. Néel, L. (1949). Théorie du traînage magnétique des ferromagnétiques en grains fins avec applications aux terres cuites. Ann. Géophys 5. pp. 99–136.  (prantsuse keeles; tõlge inglise keelde Kurti, N., toim (1988). Selected Works of Louis Néel. Gordon and Breach. pp. 407–427. ISBN 2-88124-300-2. ).