Dominio único , en magnetismo , se refiere al estado de un ferromagnet [1] en el que la magnetización no varía a través del imán. Una partícula magnética que permanece en un estado de dominio único para todos los campos magnéticos se llama partícula de dominio único (pero son posibles otras definiciones; ver más abajo). [2] Estas partículas son muy pequeñas (generalmente por debajo de un micrómetro de diámetro). También son muy importantes en muchas aplicaciones porque tienen una alta coercitividad . Son la principal fuente de dureza en los imanes duros , los portadores del almacenamiento magnético en unidades de cinta.y los mejores registradores del campo magnético de la Tierra antigua (ver paleomagnetismo ).
Historia
Las primeras teorías de magnetización en ferroimanes asumían que los ferroimanes se dividen en dominios magnéticos y que la magnetización cambia por el movimiento de las paredes de los dominios . Sin embargo, ya en 1930, Frenkel y Dorfman predijeron que las partículas suficientemente pequeñas solo podrían contener un dominio, aunque sobrestimaron en gran medida el límite de tamaño superior para tales partículas. [3] La posibilidad de partículas de dominio único recibió poca atención hasta dos desarrollos a fines de la década de 1940: (1) Cálculos mejorados del límite de tamaño superior por Kittel y Néel, y (2) un cálculo de las curvas de magnetización para sistemas de partículas de dominio de Stoner y Wohlfarth. [4] [5] El modelo Stoner-Wohlfarth ha sido enormemente influyente en trabajos posteriores y todavía se cita con frecuencia.
Definiciones de una partícula de dominio único
Los primeros investigadores señalaron que una partícula de dominio único podría definirse de más de una forma. [6] Quizás más comúnmente, se define implícitamente como una partícula que se encuentra en un estado de dominio único a lo largo del ciclo de histéresis, incluso durante la transición entre dos estados de este tipo. Este es el tipo de partícula que modela el modelo Stoner-Wohlfarth . Sin embargo, podría estar en un estado de dominio único excepto durante la reversión. A menudo, las partículas se consideran de dominio único si su remanencia de saturación es consistente con el estado de dominio único. Más recientemente, se descubrió que el estado de una partícula podría ser de dominio único para algún rango de campos magnéticos y luego cambiar continuamente a un estado no uniforme. [7]
Otra definición común de partícula de dominio único es aquella en la que el estado de dominio único tiene la energía más baja de todos los estados posibles (ver más abajo).
Histéresis de dominio único
Si una partícula está en el estado de dominio único, toda su magnetización interna apunta en la misma dirección. Por lo tanto, tiene el momento magnético más grande posible para una partícula de ese tamaño y composición. La magnitud de este momento es, dónde es el volumen de la partícula y es la magnetización de saturación .
La magnetización en cualquier punto de un ferromaimán solo puede cambiar por rotación. Si hay más de un dominio magnético , la transición entre un dominio y su vecino implica una rotación de la magnetización para formar una pared de dominio . Las paredes de dominio se mueven fácilmente dentro del imán y tienen una coercitividad baja . Por el contrario, una partícula que es de dominio único en todos los campos magnéticos cambia su estado mediante la rotación de toda la magnetización como una unidad. Esto da como resultado una coercitividad mucho mayor .
La teoría más utilizada para la histéresis en partículas de dominio único es el modelo de Stoner-Wohlfarth . Esto se aplica a una partícula con anisotropía magnetocristalina uniaxial .
Límites en el tamaño de un solo dominio
Experimentalmente, se observa que aunque la magnitud de la magnetización es uniforme en toda una muestra homogénea a temperatura uniforme, la dirección de la magnetización no es en general uniforme, pero varía de una región a otra, en una escala correspondiente a las observaciones visuales con un microscopio. La uniformidad de dirección se logra sólo aplicando un campo, o eligiendo como muestra, un cuerpo que sea en sí mismo de dimensiones microscópicas (una partícula fina ). [6] El rango de tamaño para el cual un ferromagnet se convierte en un dominio único es generalmente bastante estrecho y un primer resultado cuantitativo en esta dirección se debe a William Fuller Brown, Jr. , quien, en su artículo fundamental, [8] probó rigurosamente (en el marco de Micromagnetismo ), aunque en el caso especial de una esfera homogénea de radio, lo que hoy se conoce como el teorema fundamental de Brown de la teoría de las partículas ferromagnéticas finas . Este teorema establece la existencia de un radio crítico tal que el estado de menor energía libre es uno de magnetización uniforme si (es decir, la existencia de un tamaño crítico por debajo del cual las partículas ferromagnéticas esféricas permanecen magnetizadas uniformemente en un campo aplicado cero). Un límite inferior paraluego se puede calcular. En 1988, Amikam A. Aharoni , [9] utilizando el mismo razonamiento matemático que Brown, pudo extender el Teorema Fundamental al caso de un esferoide alargado . Recientemente, [10] el teorema fundamental de Brown sobre partículas ferromagnéticas finas se ha extendido rigurosamente al caso de un elipsoide general , y se ha dado una estimación del diámetro crítico (bajo el cual la partícula elipsoidal se convierte en un dominio único) en términos de factores desmagnetizantes. del elipsoide general. [11] Finalmente, se ha demostrado que el mismo resultado es cierto para los equilibrios metaestables en pequeñas partículas elipsoidales. [12]
Aunque las partículas puras de un solo dominio (matemáticamente) existen solo para algunas geometrías especiales, para la mayoría de los ferroimanes se logra un estado de cuasi uniformidad de magnetización cuando el diámetro de la partícula está entre aproximadamente nanómetros y nanómetros [ cita requerida ] (Chris Binns, Introducción a la nanociencia y tecnología , página 31, Wiley). El rango de tamaño está limitado por debajo por la transición al superparamagnetismo y por encima por la formación de múltiples dominios magnéticos .
Límite inferior: superparamagnetismo
Las fluctuaciones térmicas hacen que la magnetización cambie de manera aleatoria. En el estado de dominio único, el momento rara vez se aleja mucho del estado estable local. Las barreras de energía (ver también energía de activación ) evitan que la magnetización salte de un estado a otro. Sin embargo, si la barrera de energía se vuelve lo suficientemente pequeña, el momento puede saltar de un estado a otro con la frecuencia suficiente para hacer que la partícula sea superparamagnética . La frecuencia de los saltos tiene una fuerte dependencia exponencial de la barrera de energía, y la barrera de energía es proporcional al volumen, por lo que existe un volumen crítico en el que ocurre la transición. Este volumen se puede considerar como el volumen al que la temperatura de bloqueo se encuentra a temperatura ambiente.
Límite superior: transición a varios dominios
A medida que aumenta el tamaño de un ferromagnético, el estado de dominio único incurre en un costo de energía creciente debido al campo de desmagnetización . Este campo tiende a rotar la magnetización de una manera que reduce el momento total del imán y, en imanes más grandes, la magnetización se organiza en dominios magnéticos . La energía desmagnetizante se equilibra con la energía de la interacción de intercambio , que tiende a mantener alineados los giros. Existe un tamaño crítico en el que el equilibrio se inclina a favor del campo de desmagnetización y se favorece el estado multidominio . La mayoría de los cálculos del límite de tamaño superior para el estado de dominio único lo identifican con este tamaño crítico. [13] [14] [15]
Notas
- ^ en el sentido más amplio del término que incluye ferrimagnetismo .
- ^ Las partículas superparamagnéticas a menudo también se denominan de dominio único porque se comportan como un paramagnet con un solo giro grande.
- ^ Brown, Jr. 1978
- ^ Wohlfarth, 1959
- ^ Stoner y Wohlfarth, 1948
- ↑ a b Brown, Jr. 1958
- ^ Newell y Merrill 1998
- ^ Brown, William Fuller (1 de enero de 1968). "El teorema fundamental de la teoría de partículas ferromagnéticas finas". Revista de Física Aplicada . 39 (2): 993. Código bibliográfico : 1968JAP .... 39..993F . doi : 10.1063 / 1.1656363 .
- ^ Aharoni, Amikam (1 de enero de 1988). "Partículas ferromagnéticas de dominio único alargadas". Revista de Física Aplicada . 63 (12): 5879. Bibcode : 1988JAP .... 63.5879A . doi : 10.1063 / 1.340280 .
- ^ Di Fratta, G .; et al. (30 de abril de 2012). "Una generalización del teorema fundamental de Brown para partículas ferromagnéticas finas" . Physica B: Materia condensada . 407 (9): 1368-1371. Código Bibliográfico : 2012PhyB..407.1368D . doi : 10.1016 / j.physb.2011.10.010 .
- ^ Osborn, J. (31 de mayo de 1945). "Factores desmagnetizantes del elipsoide general". Revisión física . 67 (11-12): 351-357. Código Bibliográfico : 1945PhRv ... 67..351O . doi : 10.1103 / PhysRev.67.351 .
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- ^ Mayordomo y Banerjee 1975
- ^ Aharoni 2001
Referencias
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- Brown, Jr., William Fuller (1978) [Publicado originalmente en 1963]. Micromagnética . Robert E. Krieger Publishing Co. ISBN 0-88275-665-6.
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