Открыты новые свойства слабых ферромагнетиков
В ИзбранноеСовместной группе физиков из России, Великобритании, Франции, Германии и Нидерландов впервые удалось измерить характеристики так называемого обменного взаимодействия Дзялошинского-Мориа в слабых ферромагнетиках, благодаря новым экспериментальным техникам на основе синхротрона.
Это достижение имеет значение не только для разработки новых магнитных материалов для таких сфер применения, как компьютерные хранилища данных высокой плотности, но также поможет расширить наше понимание основных физических процессов, происходящих в ферро- и антиферромагнетиках.
Ферромагнитные материалы активно используются в современных электронных устройствах. В основном они применяются для хранения данных в компьютерных системах. Подобные материалы содержат в себе упорядоченные магнитные моменты, которые направлены параллельно друг другу. Такое упорядочение относится к чисто квантовым явлениям и обуславливается обменным взаимодействиям.
Существуют и более сложные виды магнитного упорядочения, к примеру, характерные для антиферромагнетизма (в этом случае половина магнитных моментов направлена в одну сторону, а другая половина – в противоположную).
Слабые ферромагнетики являются важным подклассом магнитных материалов, которые по большей части относятся к антиферромагнетикам, но при этом имеют небольшой угол между направлениями магнитных моментов (они не строго антипараллельны друг другу). Это приводит к проявлению ферромагнетизма в перпендикулярном направлении. Самый известный слабый ферромагнетик – гематит или оксид железа.
Около 50 лет назад два физика – Игорь Дзялошинский и Тору Мориа – предположили о существовании нового типа квантового магнитного взаимодействия в этих материалах, определяющего угол между магнитными моментами и, соответственно, слабый ферромагнетизм. Как впоследствии выяснилось, взаимодействие Дзялошинского-Мориа (как стали его называть) действительно является частью спин-орбитального взаимодействия.
Именно оно способствует перпендикулярной, а не обычной параллельной и антипараллельной связи магнитных моментов.Взаимодействия Дзялошинского–Мориа вызывает периодические колебания магнитных моментов в слабых ферромагнетиках или их медленное непрерывное вращение в ряде других материалов, например, в феррите висмута.
Таким образом, данное взаимодействие ответственно также за магнитоэлектрический эффект в мультиферроиках (материалах, которые отличаются одновременно магнитным и электрическим упорядочением) и в недавно обнаруженном состоянии вещества, получившем название скирмиона.
Однако проблема заключается в том, что о взаимодействии Дзялошинского-Мориа известно на сегодняшний день достаточно мало; даже знак его измерить до сих пор не представлялось возможным.
Совместная группа ученых из России, Великобритании, Франции, Германии и Нидерландов, похоже, решила эту проблему. В рамках своего эксперимента ученые определили фазы рассеяния рентгеновских лучей от антиферромагнитного материала – бората железа, что помогло сделать выводы о характере взаимодействия.
Как рассказали сами ученые, измерение интенсивности рентгеновского излучения, дифрагирующего от структуры магнитной решетки (а не от обычной атомной решетки), стало настоящим вызовом, поскольку это взаимодействие настолько слабо, что полезный сигнал оказывается в миллионы раз слабее, чем обычный (поэтому чаще всего этот сигнал не наблюдается).
В прошлом выполнить подобные измерения можно было, только с помощью нейтронной дифракции, но благодаря развитию современной синхротронной техники, это стало возможным и для рентгеновской части спектра.
На основе полученного рассеяния ученые смогли сделать вывод о знаке взаимодействия Дзялошинского–Мориа. По мнению исследователей, полученная информация уже помогла им лучше предсказать, как ведут себя магнитные моменты в нескольких важных классах слабых ферромагнетиков.
И научная группа уже активно исследует с помощью предложенной техники другие слабые ферромагнетики, такие как карбонаты.
Основной целью этих исследований является понимание того, как изменяется знак взаимодействия Дзялошинского-Мориа, в зависимости от структуры материала.
Подробные результаты работы ученых опубликованы в журнале Nature Physics.
Источники: sci-lib.com, nanotechweb.org
Что такое магнетизм? | Goudsmit Magnetics
Кривая BH позволяет получить представление о следующих магнитных свойствах:
Кривая намагничивания (De-) — кривая BH = кривая гистерезиса
При периодически изменяющемся внешнем магнитном поле H намагниченность ферромагнитного материала отражает кривую намагничивания. Начиная с «исходного» материала без чистого намагничивания, синяя кривая появляется при первом приложении поля (см. изображение ниже).
При достижении плотности потока насыщения с напряженностью магнитного поля Hs, намагниченность не увеличивается.
Остаточная напряженность поля BR
Если затем инвертировать поле, намагниченность при напряженности поля H = 0 не уменьшится полностью до нуля. Существует напряженность остаточного поля BRв результате того, что «области Вейса» не вернулись в исходное состояние.
Напряженность коэрцитивного магнитного поля Hc
Только в случае, если внешняя напряженность поля достигла противоположно направленного значения — напряженность коэрцитивного магнитного поля Hc, намагниченность В = 0, и продукт размагничивается. Площадь петли, через которую проходит переменная намагниченность, является мерой потерь. Материалы с низкими значениями Hc и, следовательно, с небольшими гистерезис-петлями называются мягкими магнитными материалами. Если Hc очень большой, они называются твердыми магнитными материалами.
‘Гистерезис’ присутствует в ферромагнитном материале. Это показано на рисунке ниже. Напряженность магнитного поля H показана вдоль оси x, а степень намагниченности (магнитная индукция) B — вдоль оси у. Если магнитное поле отсутствует, намагниченности в начале нет, и мы снова оказываемся в точке начала координат графика.
Если приложить магнитное поле, ферромагнитный материал становится магнитным. Воздействие продолжается до тех пор, пока все «области Вейса» в материале не будут иметь одинаковую ориентацию. Теперь материал имеет максимальную намагниченность, и увеличение магнитного поля не оказывает дальнейшего влияния на степень намагниченности. Если магнитное поле ослабить, области Вейса по большей части сохранят свое положение.
Когда поле становится более отрицательным, общая намагниченность также изменяет направление. Это продолжается до тех пор, пока все спины не будут ориентированы в другом направлении и намагниченность не изменится. Теперь продукт размагничен.
Назад к содержанию
Кривая гистерезиса (кривая BH)
Обнаружены уникальные магнитные свойства соединения свинца и марганца
Изучая характеристики соединения, ученые обнаружили, что отдельные признаки магнитного порядка сохраняются и при повышении температуры выше критической, поэтому магнитные и теплофизические свойства соединения исследовали при температуре Кюри и выше. Измерения теплоемкости позволили изучить сохранение магнитного порядка в отсутствие внешнего поля.
«Мы обнаружили, что даже без внешнего магнитного поля следы магнитного порядка сохраняются вплоть до температур, вдвое превышающих точку Кюри. В присутствии поля этот интервал становится еще больше», — рассказывает Анатолий Панкрац, доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник лаборатории резонансных свойств магнитоупорядоченных веществ ИФ СО РАН.
Причина этих особенностей кроется в специфической магнитной структуре кристалла. В ней можно выделить цепочки — элементы с интенсивными обменными процессами между магнитными моментами. Такой тип структуры называют квазиодномерным. При охлаждении кристалла PbMnBO4 магнитный порядок формируется сначала внутри цепочек, а затем между ними. Особенности структуры этого соединения проявляются не так ярко, как в традиционных квазиодномерных магнетиках, но влияют на его магнитные и теплофизические свойства.
Предполагалось, что благодаря иону свинца это соединение также сможет проявлять свойства мультиферроиков — веществ, в которых порядок существует сразу в нескольких взаимодействующих подсистемах: магнитной, электрической, упругой. Взаимосвязь между разными подсистемами проявляется, к примеру, в возникновении магнитоэлектрических эффектов: электрическое поле может индуцировать намагниченность, а магнитное — электрическую поляризацию. Это свойство используют для развития нового направления в электронике — спинтроники. Она предполагает управление током с помощью не только электрического, но и магнитного поля. В случае же кристалла PbMnBO4 магнитоэлектрический отклик оказался очень слабым.
Исследования ферромагнетика PbMnBO4 проводятся в рамках изучения функциональных материалов, которые можно применять в качестве датчиков, рабочих элементов приборов и устройств обработки информации. Поиск новых функциональных материалов и изучение их физических свойств расширяет возможности электроники.
Понравился материал? Добавьте Indicator.Ru в «Мои источники» Яндекс.Новостей и читайте нас чаще.
Пресс-релизы о научных исследованиях, информацию о последних вышедших научных статьях и анонсы конференций, а также данные о выигранных грантах и премиях присылайте на адрес science@indicator. ru.
Физики БФУ им. И. Канта исследовали влияние неоднородности магнитного поля на свойства тонкопленочных структур
Сотрудники Балтийского федерального университета имени И. Канта совместно с коллегами из России, Японии и Австралии изучили влияние неоднородности магнитного поля при получении тонких пленок сплавов никель-железо и иридий-марганец на их свойства. Эти материалы могут использоваться при создании различных типов датчиков. Статья ученых опубликована в
Journal of Magnetism and Magnetic Materials.Магнитные материалы делятся на несколько типов в зависимости от их реакции на приложенное внешнее магнитное поле. Так, например, диамагнетики намагничиваются против внешнего поля, противодействуют ему, тогда как парамагнетики, наоборот, приобретают направление магнитного момента, совпадающего с полем. Еще два класса магнитных материалов, ферромагнетики и антиферромагнетики, стоят отдельно, так как сохраняют магнитные свойства в отсутствии внешнего поля. И если ферромагнетики обладают магнитным моментом и могут использоваться в качестве постоянных магнитов, то магнитный момент антиферромагнетика в отсутствии магнитного поля равен нулю из-за противоположно направленных магнитных моментов подрешеток, которые компенсируют друг друга.
Для ферромагнетиков характерно явление гистерезиса. Оно заключается в разном изменении напряженности магнитного поля материала при увеличении или уменьшении приложенного внешнего поля. Явление магнитного гистерезиса наглядно представляется в виде зависимости намагниченности материала от напряженности внешнего магнитного поля. Петля гистерезиса ферромагнетика обычно симметрична относительно начала координат, однако в материалах, состоящих из двух тонких слоев ферромагнетика и антиферромагнетика, может наблюдаться смещение петли. Этот эффект называется обменным смещением. Он объясняется обменной связью ферромагнетика и антиферромагнетика.
Физики БФУ им. И. Канта исследовали влияние неоднородности магнитного поля, приложенного при получении тонких пленок, состоящих из двух слоев — сплавов никель-железо (NiFe) и иридий-марганец (IrMn). Получали эти пленки с помощью магнетронного напыления. Эта технология предполагает разрушение мишени (образец металла, из которого необходимо получить пленку) с помощью бомбардировки ее инертными частицами, например атомами благородных газов.
«Мы продемонстрировали, что наличие неоднородного магнитного поля при получении тонкопленочных обменно-связанных структур приводит к изменению механизмов их перемагничивания. Если при получении пленок использовать однородные магнитные поля, то это приводит к классическому смещению петли гистерезиса. Изменение однородности магнитного поля влияет как на величину смещения петли, так и на изменение формы петли гистерезиса тонкопленочной структуры NiFe/IrMn. Мы показали, что можно создать ступенчатую петлю гистерезиса в области с самым высоким градиентом магнитного поля.
Исследование проводилось совместно с коллегами из МГУ имени М.В.
Ломоносова, Национального исследовательского технологического
университета «МИСиС», Университета Тохоку (Япония) и Университета Нового
Южного Уэльса (Австралия).
Картинка 1. Визуализация магнитного поля между постоянными магнитами в
месте расположения подложки, на которой происходит осаждение пленки
NiFe/IrMn.
Источник: Официальный сайт БФУ им. И. Канта
Новый спиновой диод для всепогодного машинного зрения
Спиновой диодКонстантин Звездин, старший научный сотрудник лаборатории физики магнитных гетероструктур и спинтроники для энергосберегающих информационных технологий МФТИ, руководитель проекта «Спинтроника» Российского квантового центра, комментирует: «Обычные спиновые диоды со свободными ферромагнитными слоями могут работать на фиксированных частотах, не превышающих двух-четырёх гигагерц. В данной работе мы предложили схему спинового диода, в котором ферромагнитные слои связаны со слоями антиферромагнетиков, что позволяет увеличить частотный диапазон устройства примерно до 10 гигагерц, причём без значительной потери чувствительности. Это существенно расширяет область возможного использования спиновых диодов, открывая для них такие приложения, как, например, всепогодное машинное зрение, основанное на микроволновой голографии».
Все современные электронные устройства — диоды, транзисторы, операционные усилители и так далее — работают с электрическим током. Другими словами, все они тем или иным образом управляют потоками заряженных частиц (электронов и дырок). Например, в полупроводниковом диоде соединение областей с повышенной концентрацией электронов и дырок (p-n-переход) приводит к тому, что прибор может пропускать электрический ток только в одну сторону. Используя эту особенность диодов, можно собрать выпрямитель — устройство, которое превращает переменный ток в постоянный.
В то же время, помимо заряда, электроны обладают ещё одним важным свойством: у них есть спин. Спин — это чисто квантовая величина, аналогичная моменту импульса, которым обладают вращающиеся тела из классической механики. В обычном электрическом токе спины электронов направлены хаотично, однако их можно выстроить в одном направлении и получить спиновый ток. Наука, которая занимается изучением спиновых токов, называется спинтроникой. В настоящее время учёные уже научились изготавливать спинтронные наногенераторы, детекторы микроволнового излучения и магнитного поля, которые превосходят свои электронные аналоги.
Аналогом полупроводникового диода в спинтронике является спиновый диод — прибор, который умеет выпрямлять проходящий через него ток. Спиновый диод представляет собой два тонких слоя ферромагнетиков, разделённых слоем диэлектрика, в основе его работы лежат эффекты туннельного магнетосопротивления и вращения в результате переноса спина (spin-transfer torque effect). Если кратко, эти эффекты заключаются в следующем. При пропускании обычного тока через первый слой ферромагнетика спины электронов выстраиваются вдоль намагниченности ферромагнетика, то есть ток становится спиновым. Затем электроны туннелируют через диэлектрик и сталкиваются со вторым ферромагнитным слоем. В зависимости от угла между намагниченностью слоя и спинами электронов, частицы лучше или хуже проходят через него — следовательно, сопротивление прибора зависит от ориентации магнитных слоёв (первый эффект). Одновременно с этим электроны стараются повернуть второй слой, чтобы проходить через него было проще (второй эффект). Поэтому если пропускать через диод переменный ток, намагниченность его слоёв — а следовательно, и сопротивление — будет колебаться одновременно с величиной тока, и в результате ток выпрямляется.
Благодаря этим эффектам можно изготавливать спиновые диоды с чувствительностью более ста тысяч вольт на ватт, хотя максимальная чувствительность обычных полупроводниковых диодов Шоттки не превышает 3 800 вольт на ватт. Чувствительность — это отношение напряжения выходящего постоянного тока к мощности прикладываемого переменного тока; грубо говоря, она описывает, насколько хорошо устройство выпрямляет ток. Тем не менее, есть у спиновых диодов и недостатки. Например, их чувствительность сильно зависит от частоты переменного тока, резко возрастая около резонансного значения и оставаясь близкой к нулю вдали от него. Кроме того, резонансные частоты всех изготовленных ранее спиновых диодов не превышают двух гигагерц. В то же время для некоторых приложений — например, для микроволновой голографии — нужны диоды, работающие на бóльших частотах.
А если «зажать» антиферромагнетиком?В данной работе учёные из МФТИ описывают способ, с помощью которого можно задавать резонансную частоту спинового диода при изготовлении, а также повысить рабочую частоту. Для этого физики предлагают «зажать» диод между двумя антиферромагнитными слоями. Благодаря обменному закреплению (exchange pinning) слои ферромагнетиков и антиферромагнетиков оказываются связаны, что позволяет управлять углом между намагниченностями ферромагнетиков — а значит, сопротивлением и резонансной частотой прибора. Чтобы проверить работоспособность предложенной схемы, учёные численно смоделировали спиновый диод со слоями толщиной порядка нескольких нанометров, а затем исследовали его свойства.
Кратко поясним, что такое ферромагнетик и антиферромагнетик. В каждом из этих материалов спины атомов обладают дальним порядком — другими словами, на достаточно больших расстояниях структура материала повторяется. В ферромагнетиках спины всех атомов выстроены параллельно заданной оси, а в антиферромагнетиках — антипараллельно. Конечно, в жизни всё немного сложнее, и в действительности при ненулевой температуре на эти картинки накладываются тепловые колебания, поворачивающие спины в случайных направлениях. При превышении определённой температуры дальний порядок полностью разрушается, и вещество становится парамагнетиком, в котором спины всех атомов направлены произвольно. Для ферромагнетиков такая температура называется точкой Кюри, для антиферромагнетиков — точкой Нееля. Кроме того, обычно спины выстраиваются вдоль заданной оси не во всём объёме вещества, а в макроскопических областях, называемых доменами.
Изучили, что получилиДля начала учёные изучили, как угол между намагниченностями ферромагнитных слоёв θ зависит от угла между осями антиферромагнетиков φ (AFM pinning angle), который можно контролировать на этапе изготовления диода, поворачивая антиферромагнетики. Вообще говоря, эти углы не совпадают, хотя и связаны друг с другом (рис. 2). Оказалось, что угол между намагниченностями можно изменять только в диапазоне от 110 до 170 градусов, причём в промежутке от 110 до 140 градусов зависимость является нелинейной. Тем не менее, этого диапазона оказывается достаточно, чтобы контролировать свойства диода.
Затем исследователи выяснили, как зависит чувствительность диода от частоты переменного тока при фиксированном угле между намагниченностями слоёв. Оказалось, что около резонансной частоты чувствительность резко возрастает, при этом достигая значений порядка тысячи вольт на ватт. Это значение меньше максимальной чувствительности изготовленных ранее спиновых диодов, однако всё ещё достаточно велико, чтобы сравниться с обычными полупроводниковыми диодами.
Гораздо более важным является то, что резонансную частоту нового диода можно изменять от 8,5 до 9,5 гигагерц, контролируя угол φ во время изготовления прибора. Впрочем, стоит отметить, что пока учёные рассмотрели предложенную схему только теоретически. Следующим шагом будет изготовление экспериментального образца и непосредственная проверка предсказанных свойств.
Ранее учёные из МФТИ научились закручивать магнитные вихри в спинтронных устройствах, образованных ферромагнетиком и топологическим изолятором. Топологический изолятор — это материал, который проводит электрический ток только по поверхности, а внутри является обычным изолятором.
Работа поддержана Российским научным фондом.
Ферромагнетики (постоянные магниты) (№2) | Физика. Закон, формула, лекция, шпаргалка, шпора, доклад, ГДЗ, решебник, конспект, кратко
Тема: Магнетизм
Вещество в магнитном поле: а — магнитный беспорядок — в отсутствие поля магнитные моменты атомов расположены хаотично; б — магнитный порядок — при наложении поля появляется пре имущественная ориентация магнитных моментов атомов |
Диа— и парамагнетики намагничиваются во внешнем поле, но, как только поле исчезает, пропадает и их намагниченность. Однако существуют постоянные магниты — твердые тела, создающие магнитное поле и способные притягивать железные предметы.
Постоянные магниты — это так называемые ферромагнетики. К ним относятся в чистом виде железо, кобальт и никель. Природа ферромагнетизма была выяснена лишь после создания квантовой механики. Ферромагнетики (например, железо) при внесении в магнитное поле намагничиваются (приобретают магнитный момент), как и парамагнетики, по полю (магнитный момент — вдоль вектора индукции), но приобретаемый ими магнитный момент много больше, чем у парамагнетиков. Соответственно много больше и сила, действующая на ферромагнетик. Но главная особенность ферромагнетиков — это наличие остаточной намагниченности. Ферромагнетик остается намагниченным и после исчезновения внешнего поля. Так получаются постоянные магниты.
Наличие остаточной намагниченности означает, что элементарные атомные магниты остаются параллельными и удерживаются силами, противодействующими хаотизирующему тепловому движению атомов. При высокой температуре, однако, упорядоченность магнитных моментов атомов разрушается и намагниченность ферромагнетика пропадает. Материал с сайта http://worldofschool.ru
Магнитное поле создается движущимися заряженными частицами (токами). Но хорошо известно, что существуют постоянные магниты (попросту куски железа), создающие магнитное поле. Означает ли это, что в куске железа неопределенно долго текут токи? Нет, если понимать под током движение свободных заряженных частиц в теле. Такой ток сопровождается выделением теплоты и требует наличия сторонних сил. Да, если понимать под током движение заряженных частиц вообще. Движущиеся заряженные частицы имеются в любом теле. Ключевое понятие, необходимое для выяснения сути дела, — магнитный момент.
На этой странице материал по темам:Конспект постоянные магниты кратко
Постоянные магниты краткий доклад
Наука: Наука и техника: Lenta.
ruСверхпроводимость, которая почти несовместима с магнитным полем, может при определенных условиях способствовать его распространению, выяснили российские ученые. Устройства на базе этого эффекта могут приблизить эпоху компьютеров будущего — спинтронных вычислительных машин. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Physics, а коротко об этом сообщается в пресс-релизе НИИЯФ МГУ, поступившем в редакцию «Ленты.ру».
Группа ученых, в которую входит Наталья Пугач из НИИ ядерной физики имени Скобельцына при МГУ, исследовала взаимодействие сверхпроводимости и намагниченности для того, чтобы научиться управлять спинами (магнитными моментами) электронов.
Если в обычной микроэлектронике информация кодируется с помощью электрических зарядов, то в спиновой электронике, или спинтронике, информация предоставляется с помощью спина электрона, который может быть направлен вдоль или поперек определенной оси. Главным препятствием для создания таких вычислительных устройств пока является то, что спин электронов и прочих заряженных частиц крайне сложно контролировать. Новое исследование показывает, что сверхпроводник, возможно, пригодится для транспортировки спинов, а ферромагнетики — для управления ими.
Состояние сверхпроводимости очень чутко реагирует на магнитные поля: сильные магнитные поля могут разрушать его, и наоборот — сверхпроводники полностью выталкивают из себя магнитное поле. Обычные сверхпроводники и магнитные материалы почти невозможно заставить «общаться» друг с другом из-за их противоположного упорядочения: в магнетиках поле стремится выстроить спины в одну сторону, а электроны в обычных сверхпроводниках имеют противоположные спины.
Во время экспериментов ученые обстреливали образцы мюонами. Таким образом они смогли получать данные о том, как ведет себя намагниченность в разных слоях образца.
Спиновый вентиль состоял из двух слоев ферромагнетика (кобальта), слоя сверхпроводника (ниобия) толщиной около 150 атомов и слоя золота. В ходе эксперимента ученые обнаружили неожиданный эффект: в тех случаях, когда направления намагниченности слоев ферромагнетика были непараллельны, взаимодействие их со сверхпроводником порождало наведенную намагниченность в слое из золота, «перепрыгивая» через сверхпроводник. Когда ученые «поворачивали» намагниченность в одну сторону, сила поля в золоте уменьшалась в 20 раз и эффект почти полностью пропадал.
Данный эффект дает новый способ манипуляции со спинами и, возможно, позволит создать принципиально новые спинтронные элементы. «Развитие компьютерных технологий было основано на полупроводниках. Для персональных компьютеров это хорошо, но когда на тех же технологиях создают суперкомпьютеры — они греются, шумят и требуют мощных систем охлаждения. Спинтроника позволит решить эти проблемы», — заключила Пугач.
Ферромагнитные материалы (все содержимое)
Примечание. Пакеты обучения и обучения DoITPoMS предназначены для интерактивного использования на компьютере! Эта версия TLP для печати предназначена для удобства, но не отображает все содержимое TLP. Например, отсутствуют какие-либо видеоролики и ответы на вопросы. Форматирование (разрывы страниц и т. Д.) Печатной версии непредсказуемо и сильно зависит от вашего браузера.
Содержание
- Цели
- Перед тем, как начать
- Введение
- Виды магнетизма
- Почему некоторые материалы обладают магнитными свойствами?
- Почему только некоторые материалы являются ферромагнитными?
- Закон Кюри-Вейсса
- Домены
- Доменные стены
- Гистерезис
- Анизотропия
- Сводка
- вопросов
- Дальше
Цели
По завершении данного TLP вам необходимо:
- Понимание ферромагнетизма как типа магнетизма и некоторых причин, по которым элемент является ферромагнитным
- Имейте в виду, что на магнетизм влияет температура
- Понять факторы, способствующие образованию магнитных доменов
- Узнайте, почему возникает гистерезис и какие факторы на него влияют
Перед тем, как начать
Большая часть этого пакета не предполагает какого-либо предыдущего понимания ферромагнетизма. Однако краткое понимание атомной и электронной структуры элементов может помочь в некоторых объяснениях. Однако это не обязательно!
Введение
Магниты используются миллионами людей во всем мире каждый день, но они могут не осознавать каждый раз, когда открывают свой холодильник, слушают mp3-плеер или включают компьютер, что они используют явление квантовой механики! Понимание магнетизма чрезвычайно важно для постоянного развития современных технологий.Например, память электронных устройств является областью интенсивных исследований, поскольку существует постоянная потребность в большем объеме памяти в небольших устройствах.
Типы магнетизма
Все магнитные материалы содержат магнитных моментов, которых ведут себя в путь похож на микроскопический стержень магнетиса. Чтобы определить ферромагнетизм как класс магнетизма, проще всего сравнить различные свойства различные возможные типы магнитного материала. В основном это: парамагнетики, ферромагнетики, антиферромагнетики и ферримагнетики.
Парамагнетизм
В парамагнетике магнитные моменты имеют тенденцию быть случайно ориентированными из-за
тепловые колебания при отсутствии магнитного поля. В прикладном магнитном
эти моменты начинают выравниваться параллельно полю, так что намагниченность
материала пропорционально приложенному полю.
Рисунок A. Схема, показывающая магнитный дипольные моменты случайно выровнены в парамагнитном образце.
Ферромагнетизм
Магнитные моменты в ферромагнетике имеют тенденцию становиться выровненными параллельно
друг к другу под действием магнитного поля.Однако в отличие от моментов
в парамагнетике эти моменты будут оставаться параллельными, когда магнитное поле
не применяется (об этом будет сказано позже).
Рисунок B. Схема магнитного дипольные моменты выровнены параллельно в ферромагнитном материале.
Антиферромагнетизм
Соседние магнитные моменты от магнитных ионов имеют тенденцию выстраиваться антипараллельно
друг к другу без приложенного поля. В простейшем случае соседние магнитные
моменты равны по величине и противоположны, поэтому полное намагничивание отсутствует.
Рисунок C. Схема, показывающая соседние магнитные дипольные моменты равной величины, ориентированные антипараллельно в антиферромагнитном материал. Это только одно из многих возможных антиферромагнитных устройств. магнитные моменты.
Ферримагнетизм
Ориентированные магнитные моменты имеют разную величину; то есть там
представляет собой более одного типа магнитных ионов. Создается общее намагничивание.
но не все магнитные моменты могут дать положительный вклад в общую
намагничивание.
Рисунок D. Схема, показывающая соседние магнитные моменты разной величины выровнены антипараллельно.
Ниже представлена таблица Менделеева, показывающая элементы и типы магнетизма в комнатная температура:
Рисунок E. Схема периодической таблицы Менделеева. отображение элементов, окрашенных в соответствии с типом магнетизма, который они показывают в комнате температура.
Почему некоторые материалы обладают магнитными свойствами?
Эрстед в 1820 году обнаружил, что стрелка магнитного компаса отклоняется. при размещении рядом с электрическим током; это был прорыв в понимании магнетизма, что позже привело к тому, что Ампер заметил, что магнитное поле соленоида идентична магниту.
Рисунок F. Схема, показывающая форму магнитного поля вокруг стержневого магнита и соленоида идентичны.
Затем Ампер предположил, что все магнитные эффекты были вызваны током. петли и что магнитные эффекты в материалах должны быть вызваны «молекулярными токи », приписываемые движению электронов. Однако токи предсказываемые этой моделью, были невероятно большими, и второе происхождение магнетизма требовалось. Этим вторым магнитным механизмом был спин, постулированный Дираком в работе. 1928 г., после того как он решил полностью релятивистские квантово-механические уравнения, управляющие электрон.
Рисунок G. Схема, показывающая магнитное момент, создаваемый электроном, вращающимся вокруг ядра, и момент, создаваемый спин электрона.
Спин электрона трудно представить, но он обладает свойствами небольшого магнитный момент, указывающий «вверх» или «вниз». В пределах атом, электроны расположены на орбиталях , максимум два электроны с противоположным спином, занимающие каждую орбиталь (из-за исключения Паули Принцип).Орбитали далее сгруппированы в оболочки . Во всех атомах кроме водорода существует более одного электрона, и эти электроны могут взаимодействуют друг с другом, а также с ядром, что приводит к «сцеплению».
Муфта
Как указано выше, полный магнитный момент свободного атома имеет два вклада. с каждого электрона:
- Угловой момент при вращении электрона вокруг ядра (строго говоря, импульс ядра относительно вращающегося электрона). Это фактически молекулярный ток и известен как орбитальный вклад.
- «Спин» самого электрона
В атоме с одним электроном создаются только два магнитных поля. которые могут взаимодействовать (см. рисунок выше). Магнитное поле от электрона спин взаимодействует с магнитным полем из-за его движения вокруг ядра, приводя к так называемой спин-орбитальной связи .
В атоме с более чем одним электроном полный магнитный момент атома будет зависеть от спин-орбиты (внутриэлектронная), спин-спина (межэлектронная) и орбитально-орбитальная (также межэлектронная) связь.Спин-орбитальная связь слабая. для легких атомов и, как правило, им можно пренебречь при вычислении полного углового импульс.
Полный магнитный момент может быть определен простым векторным сложением поля.
Важные результаты этой муфты заключаются в следующем. При отработке момента на атом только неполных электронных оболочки (группы орбиталей) вносят вклад в . Кроме того, электроны располагаются в оболочках таким образом, чтобы максимизировать полный отжим.Объединяя эти два результата, мы видим, что если оболочка больше чем наполовину, спины начинают объединяться в пары внутри орбиталей и доступных магнитный момент уменьшается. Это лежит в основе существования магнитного порядка в элементы в середине 3-й серии и середине 4-й серии.
Почему только некоторые материалы являются ферромагнитными?
Для возникновения ферромагнетизма должна быть внутренняя движущая сила, которая вызывает параллельное выравнивание спинов электронов является более благоприятным состоянием.Вайс объяснил это наблюдаемое поведение, предположив наличие внутреннего Взаимодействие между локализованными моментами называется молекулярным полем . Хотя феноменологическая модель Вайса представляла собой значительный шаг вперед, микроскопическое объяснение его молекулярного поля требовало законов квантовой механика. Важным слагаемым во взаимодействии локализованных моментов является называется обменным взаимодействием .
Обменное взаимодействие происходит в соответствии с Принципом исключения Паули ; если два электрона имеют разные спины, то они могут занимать одну и ту же орбиталь. (состояние углового момента), следовательно, они будут ближе друг к другу, и поэтому они будут имеют более сильное кулоновское отталкивание.
Рисунок H. Схема, показывающая два электрона. занимает орбиталь 1, вызывая сильное кулоновское отталкивание по сравнению с рисунком I.
Если у электронов одинаковый спин, то они займут разные орбитали. и поэтому имеют меньшее кулоновское отталкивание, поскольку они будут дальше друг от друга. В таким образом, обменная энергия (энергия отталкивания между двумя электронов) сводится к минимуму.
Рисунок I.Схема, показывающая два электрона занимающие разные орбитали.
Следовательно, сила кулоновского отталкивания способствует параллельному расположению всех спины электронов сводятся к минимуму обменной энергии. Приведенные выше правила помогают чтобы объяснить сильный ферромагнитный порядок, наблюдаемый в железе, кобальте и никеле. В Флэш-демонстрация ниже позволяет увидеть электронную структуру переходных элементов. в 3-м ряду периодической таблицы и количества неспаренных электронов в быть увиденным.
Если взять в качестве примера элементы, показанные в демонстрации выше, это, однако, Непросто предсказать наличие или форму магнитного порядка из только электронная конфигурация, так как не все элементы с неспаренными электронами ферромагнитный. Есть и другие факторы, в первую очередь атомная структура, которые перейти к определению типа магнетизма, проявляемого элементами. Видеть обсуждение теории полос в ссылке 1.
Эту теорию можно свести к правилам:
- В элементах электроны максимизируют свой полный спин и, следовательно, будут занимают орбитали с одним электроном на орбиталь со всеми параллельными спинами пока все доступные орбитали не содержат электрон. Как только это произошло на этих орбиталях электроны образуют пары с противоположным спином.
- Для атомов с заполненными электронными оболочками полная атомная орбиталь угловой момент и полный спин равны нулю; поэтому нет магнитного диполя момент.
- Для атомов с неполными внешними оболочками только неполные оболочки необходимо учитывать при вычислении полного углового момента и, следовательно, магнитный дипольный момент.
- Если у атома нет неполных оболочек, то нет и постоянных диполь.Эти атомы называют диамагнитными.
- Материалы, содержащие неспаренные электроны, являются ферромагнитными. только если атомная структура позволяет кооперативное параллельное выравнивание магнитные дипольные моменты.
Закон Кюри-Вейсса
Температура выше критической T c , температура Кюри, все ферромагнитные материалы становятся парамагнитными. Это потому, что тепловая энергия достаточно велик, чтобы преодолеть кооперативное упорядочение магнитных моментов.
Восприимчивость материала, χ, показывает, насколько сильно материал реагирует на приложенное магнитное поле и определяется как отношение намагниченности материала, M , и приложенного магнитного поля, H .
\ [\ chi = \ frac {M} {H} \; \; \; \; {\ rm {уравнение}} \; 1 \]
Намагниченность материала, M , определяется как магнитный момент. на единицу объема или на единицу массы материала и зависит от человека магнитные дипольные моменты атомов в материале и взаимодействия этих диполей друг с другом.
Выше температуры Кюри будет изменение восприимчивости, как материал становится парамагнитным, что дает уравнение:
\ [\ chi = \ frac {C} {{T — {T_c}}} = \ frac {M} {H} \; \, \, \, {\ rm {уравнение}} \; 2 \]
, где C — постоянная.
На графике ниже показана намагниченность при насыщении (т. Е. Полученная при высоком магнитное поле) ферромагнитного элемента, никеля, как функция температуры. Мы видим, что намагниченность насыщения уменьшается с увеличением температуры. пока она не упадет до нуля при температуре Кюри, когда материал станет парамагнитным:
Рисунок J.Изменение намагниченности насыщения с температурой для никеля. (Данные Weiss and Forrer, 1926)
Дифференциация уравнения 2 по температуре показывает, что восприимчивость является максимумом при температуре Кюри. Это не удивительно; это легче всего увеличить магнитный момент материала путем приложения магнитного поля, когда материал претерпевает переход от магнитного порядка к беспорядку. График ниже для никеля показывает склонность к бесконечности как температура приближается к температуре Кюри:
Рисунок K.Вариация восприимчивости с температурой для никеля (Sucksmith and Pearce, 1938)
Домены
Домены — это области ферромагнитного материала, в которых магнитный диполь моменты выровнены параллельно. Когда материал размагничен, векторное суммирование всех дипольных моментов из всех областей равен нулю. Когда материал намагничен, векторное суммирование диполей дает общую магнитную диполь (подробнее об этом поговорим позже).
Почему возникают домены?
Из нашего предыдущего обсуждения обменного взаимодействия может показаться, что наиболее стабильным состоянием было бы состояние одного домена, в котором все электроны вращения будут выровнены параллельно. Однако, хотя это минимизирует вклад энергии обусловленные обменным взаимодействием, есть и другие вклады в общая магнитная энергия, которую необходимо учитывать:
- Магнитостатическая энергия
- Магнитострикционная энергия
- Магнитокристаллическая энергия
Теперь рассмотрим каждую по очереди:
Магнитостатическая энергия
Если материал состоит из одного домена, он ведет себя как блочный магнит. (Рисунок L (i) ниже) и, таким образом, «размагничивающее поле» (синие стрелки) должен присутствовать вокруг блока. Это внешнее размагничивающее поле обладает магнитостатическим энергия, которая зависит от формы образца и является полем, позволяющим работа, которую должен выполнить намагниченный образец (например, подъем другого ферромагнитного материал против силы тяжести). Чтобы свести к минимуму общее магнитное энергия магнитостатическая энергия должна быть минимизирована. Этого можно добиться, уменьшив внешнее размагничивающее поле путем разделения материала на домены (рис. L (ii)). Добавление дополнительных доменов увеличивает обменную энергию, так как домены не может быть параллельна, однако общая энергия была уменьшена из-за магнитостатической энергия является доминирующим эффектом.Магнитостатическая энергия может быть уменьшена до нуля. доменной структурой, которая не оставляет внешнего размагничивающего поля (Рисунок L (iii)).
Рисунок L. Схема, показывающая, как сложение доменов может уменьшить внешнее размагничивающее поле, тем самым уменьшая магнитостатическая энергия.
Это основная движущая сила образования доменов.
Магнитокристаллическая энергия
До сих пор мы игнорировали влияние структуры атомной решетки; однако это также влияет на полную энергию намагниченного образца.Ферромагнитный материал имеет кристаллографические направления « easy ». вдоль которого предпочтительно, чтобы вектор намагничивания указывал и « жестко » направлениях, вдоль которых требуется более высокое поле для достижения такого же намагничивания. Следовательно, легче всего намагнитить ферромагнитный материал по этим легким оси, как показано на схеме ниже.
Рисунок М. Схема, показывающая разницу по размеру поля, необходимого для достижения одинаковой намагниченности при легком и жестком топоры.
Существует разница в энергии, связанная с намагничиванием вдоль твердой и легкие оси, что определяется разницей площадей под ( M , H ) кривые. Это называется магнитокристаллической энергией. Эту энергию можно свести к минимуму путем формирования таких доменов, что их намагничивание указывает на легко кристаллографическую направления. Идеальный материал может иметь простые кристаллографические направления, перпендикулярные друг к другу, так как тогда и магнитостатическая, и магнитокристаллическая энергии оба могут быть минимизированы (рис. L (iii) выше).В регионах, ограничивающих доменов, доменных стенок, должно быть изменение направления намагничивания. Следовательно, его нельзя выровнять по легким осям и поэтому большие домены с небольшим количеством доменных стенок минимизируют магнитокристаллическую энергию.
В таблице ниже приведены краткие сведения о легких, сложных и промежуточных направлениях. в железе, никеле и кобальте:
Fe | Ni | Co | |
бкк | ГЦК | шестигранник | |
Easy | <100> | <111> | <1000> |
Промежуточный | <110> | <110> | |
Жесткий | <111> | <100> |
Магнитострикционная энергия
Когда ферромагнитный материал намагничивается, он меняет длину. Это известно как магнитострикция; увеличение длины по направлению намагничивания положительная магнитострикция (например, в Fe), а уменьшение длины отрицательное магнитострикция (например, в Ni). Эти изменения длины обычно очень малы; в пределах десятков частей на миллион. Однако они влияют на домен структура материала.
В железе изменение длины приводит к тому, что закрывающие области пытаются удлиниться. по горизонтали (показано синим цветом на рисунке N (i)) и вертикальные области, чтобы попытаться удлиниться по вертикали (показано зеленым на рисунке N (i)).Это невозможно для оба должны быть приспособлены, и это вызывает упругую деформацию материала. В энергия упругой деформации пропорциональна объему областей замыкания следовательно, магнитострикционную энергию можно минимизировать, уменьшив размер этих домены. Уменьшение объема областей закрытия также требует первичного домены уменьшаться в размере и увеличиваться в количестве (Рисунок N (ii)). Дополнение дополнительных доменных стенок увеличивает магнитокристаллический и обменный вклады энергии к полной энергии.
Рисунок N. Схема, показывающая попытку изменение формы доменов (i) и фактическое изменение (ii) из-за магнитострикции.
Фактическая доменная структура представляет собой компромисс всей вышеупомянутой энергии. взносы.
Доменные стены
Доменные стенки — это области между доменами, где направление намагничивания должен измениться, обычно на 180 ° или 90 °.
Рисунок O. Диаграмма, показывающая доменные стены.
Ширина доменных стенок контролируется балансом двух энергетических вкладов:
- Обменная энергия
- Магнитокристаллическая энергия
Обменная энергия способствует широким стенкам, где соседние магнитные дипольные моменты может быть как можно более близким к параллельному, тогда как магнитокристаллическая энергия способствуют резким изменениям дипольных моментов между предпочтительными направлениями в кристалл так, чтобы как можно меньше дипольных моментов указывало на «нелегкое» направления. Фактическая ширина определяется минимумом полной энергии.
Самыми выгодными доменными стенами являются те, которые не требуют внешнего размагничивающее поле. Три стены, или «границы» этого типа, являются обсуждается ниже.
- Граница скручивания
Намагниченность, перпендикулярная границе, не меняется в пределах домена стена, следовательно, размагничивающие поля не создаются.
Рисунок P. Диаграмма, показывающая вращение магнитных моментов через 180 ° доменную стенку.
- Граница наклона
Магнитные моменты вращаются таким образом, что сохраняется постоянный угол между ними и нормалью стены и поверхностью.
Рисунок Q. Диаграмма, показывающая вращение магнитных моментов в граница наклона
- Стенка Нееля
В тонких пленках возникает стенка Нееля, и магнитные дипольные моменты вращаются вокруг оси, перпендикулярной поверхности пленки. Это благоприятные в тонких пленках, поскольку свободные полюсы образуются на поверхности доменной стенки а не на поверхности пленки, вызывая уменьшение магнитостатической энергии.
Рисунок R. Диаграмма, показывающая вращение магнитных моментов в тонкая пленка на виде сверху.
Гистерезис
Магнитный гистерезис — важное явление, относящееся к необратимости процесса намагничивания и размагничивания. Когда материал показывает степень необратимости он известен как гистерезисный . Теперь мы исследуем физика ферромагнитного гистерезиса.
Когда размагниченный ферромагнитный материал помещается в приложенный магнитный поле область, имеющая направление, наиболее близкое к приложенному полю, растет за счет других доменов.Такой рост происходит за счет движения области стены. Изначально движение доменной стенки обратимо, и если приложенное поле удаляется, намагничивание вернется в исходное размагниченное состояние. В этой области кривая намагничивания обратима и, следовательно, не показать гистерезис .
Кристалл будет содержать дефекты, с которыми сталкиваются доменные границы. во время их движения. Эти недостатки связаны с магнитостатической энергия.Когда доменная стенка пересекает дефект кристалла, эта магнитостатическая энергия может быть устранена по мере образования замыкающих доменов. Это закрепляет доменную стенку к несовершенству, так как это локальные минимумы энергии. Приложенное магнитное поле обеспечивает энергию, позволяющую доменной стенке пройти мимо дефекта кристалла, но области закрытия цепляются за несовершенство, образуя шиповидные домены которые растягиваются по мере удаления доменной стенки. В конце концов, эти домены с шипами отломится, и доменная стенка сможет свободно перемещаться.По мере того, как спайковые домены отрываются наблюдается скачок границы, приводящий к резкому изменению магнитный поток, который можно определить, намотав катушку вокруг соединенного образца. к спикеру. При этом слышны потрескивающие звуки, соответствующие шипу. домены отрываются от доменных стенок. Это явление известно как Эффект Баркгаузена.
В конце концов все доменные стены будут устранены, останется одна домен с его магнитным дипольным моментом, направленным вдоль легкой оси, ближайшей к к направлению приложенного магнитного поля.Дальнейшее увеличение намагниченности может происходить из-за того, что этот домен поворачивается от легкого направления к ориентации параллельно полю приложенного извне. Намагничивание материала на этом этапе называется намагничиванием насыщения (см. рисунок J). Легкость этого конечного вращения зависит от магнитокристаллической энергии материал; Некоторым материалам требуется большое поле для достижения этой намагниченности насыщения.
Если внешнее приложенное поле будет удалено, одиночный домен повернется обратно к легкому направлению в кристалле.Будет создано размагничивающее поле. к монодомену, и это поле инициирует образование обратного магнитного доменов, поскольку они снизят магнитостатическую энергию образца за счет уменьшения размагничивающее поле. Однако размагничивающее поле недостаточно сильное. чтобы доменные стенки могли прорастать дефекты кристалла, чтобы они никогда не полностью вернуться в исходное положение, когда нет внешнего применения поле. Это приводит к кривой гистерезиса , поскольку некоторое намагничивание будет остаются, когда нет внешнего приложенного поля.Это намагничивание называется остаточная намагниченность, B r . Поле, необходимое для уменьшения намагничивание образца до нуля называется коэрцитивным полем H c . А намагниченность насыщения B s — это намагниченность, когда все домены выровнены параллельно внешнему полю. Они показаны на схема ниже:
Рисунок S. Схема, показывающая общие
форма кривой гистерезиса с отмеченными соответствующими точками;
B s , намагниченность насыщения; B r , остаточная намагниченность;
H c , коэрцитивное поле.
Ролик ниже показывает доменную структуру, когда материал подвергается до гистерезисного цикла.
Жесткие и мягкие магниты
Ферромагнитные материалы также подразделяются на мягкие и твердые. Жесткие магниты также называются постоянными магнитами. Это требует большого поля для размагничивания. (и намагнитить). Обычно твердые магниты имеют большую остаточную намагниченность. Мягкие магниты, однако, легко намагничиваются и размагничиваются, они имеют небольшой коэрцитивное поле и, как правило, небольшая остаточная намагниченность.Мягкий и жесткий Магниты имеют разное применение в зависимости от легкости намагничивания и требуется размагничивание. См. Анимацию ниже, где представлены примеры жестких и мягких магниты, их кривые гистерезиса и применения.
Анизотропия
Магнитокристаллическая анизотропия
Мы уже встречали магнитокристаллическую анизотропию в разделе о доменах. где было сказано, что в кристаллическом материале есть легкие и твердые топоры. таким образом, чтобы магнитный момент был предпочтительно ориентирован вдоль первого.В энергия магнитокристаллической анизотропии — разность энергий между образцами намагничен по легкому и трудному направлениям. Важно отметить, что спонтанное намагничивание одинаково для обоих направлений, но внешнее прикладное поле, необходимое для достижения этого значения, отличается.
Чтобы вызвать спонтанное намагничивание, приложенное поле должно переориентировать атомная орбиталь, чтобы переориентировать направление электронного спина; это обусловлено спин-орбитальной связью.Атомные орбитали сильно связаны к решетке и таким образом сопротивляться изменению ориентации. В большинстве магнитных материалов спин-орбитальная связь слабая; однако в некоторых тяжелых редкоземельных металлах сцепление прочное. В последнем случае сопротивление переориентации доменов вдали от простых кристаллографических направлений высока и требует большое коэрцитивное поле. Такие материалы используются в качестве постоянных магнитов.
Магнитокристаллическая анизотропия уменьшается с повышением температуры, пока при температурах, приближающихся к температуре Кюри, предпочтительной ориентации нет. намагничивания.
Анизотропия формы в поликристаллах
Если образец несферический, его легче намагнитить дипольными моментами. указывая вдоль длинной оси. Поле, необходимое для намагничивания образца, должно преодолеть размагничивающее поле, которое сводится к минимуму, если намагничивание лежит по длинной оси. Намагничивание создает полюса поверхности, и величина размагничивающего поля уменьшается с увеличением расстояния между полюсами увеличивается. Следовательно, это влияет на анизотропию формы образца: чем более вытянутый образец, тем ближе становится расстояние между полюсами, и чем больше размагничивающее поле и анизотропия формы (Рисунок T).
Рисунок T. Схема, показывающая форму константа анизотропии для вытянутого сфероида
Наведенная магнитная анизотропия
Можно создать анизотропию в поликристаллах, используя обработку характеристики направленности, придающие образцу текстуру. Возможные процессы включают:
- Отливка
- Чертеж
- Отжиг в присутствии магнитного поля, при котором легкая ось параллельна прикладное поле
- Прокат
Сводка
Этот TLP охватывает основные аспекты ферромагнетизма:
- В магнитном атоме есть два вклада в магнитный дипольный момент; во-первых, спин самих электронов, а во-вторых, спин электронов. вращается вокруг ядра.
- Ферромагнетизм возникает в материалах, у которых все магнитные дипольные моменты выровняйте параллельно ниже температуры Кюри.
- Ферромагнитное упорядочение было объяснено Вейссом с помощью гипотетического среднего поле, которое вызывает параллельное выравнивание. Однако микроскопические объяснение этому можно найти, посмотрев на Принцип исключения Паули; энергетически выгоднее, чтобы электроны располагались на разных орбиталях поскольку это уменьшает энергию кулоновского отталкивания и позволяет выравнивать электронных спинов.
Величина намагничивания зависит от температуры и моделируется законом Кюри-Вейсса:
\ [\ chi = \ frac {C} {{T — {T_c}}} = \ frac {M} {H} \; \, \, \, {\ rm {формула}} \; 2 \ ; \ rm {in \; text} \]
- Образование доменов обусловлено минимизацией энергии, с основной движущей силой часто является магнитостатическая энергия.
- Виден магнитный гистерезис из-за дефектов, обнаруженных в кристаллах, так как эти препятствуют движению доменных стенок.
- Жесткие магниты имеют большое коэрцитивное поле, тогда как мягкие магниты легко размагничен и поэтому имеет небольшое коэрцитивное поле.
- И магнитокристаллическая анизотропия, и анизотропия формы задают направления
в материале, по которому легче намагнитить образец.
Вопросы
Быстрые вопросы
Вы сможете без особого труда ответить на эти вопросы после изучения данного TLP. Если нет, то вам следует пройти через это снова!
Какая картина лучше всего описывает ферромагнетизм?
Какие 3 элемента являются ферромагнитными при комнатной температуре?
Что происходит с ферромагнитными материалами выше температуры Кюри?
Что является основной движущей силой образования доменов?
Далее
Книги и статьи
- Магнитные материалы: основы и приложения Н. А. Спалдин,
Издательство Кембриджского университета (2003)
Хорошее общее объяснение ферромагнетизма, которое также охватывает другие типы магнетизма и некоторых приложений. - Лекции Фейнмана по физике Р. П. Фейнмана, Р. Б. Лейтона и М. Сэндса,
Эддисон-Уэсли Паблишинг Компани (1970)
Дает полное объяснение магнетизма, включая математику и качественные объяснения. - с.ЯВЛЯЮСЬ. Дирак, Квантовая теория электрона, Proc. R. Soc. Лондон
А 117 610-612 (1928)
- P.A.M. Дирак, Квантовая теория электрона, часть II, Proc. R. Soc. Лондон A 118 351-361 (1928)
Это оригинальные работы Дирака, в которых спин электрона полученный.
Академический консультант: Карл Сандеман (Имперский колледж, Лондон)
Разработка контента: Клэр Хопвуд и Дэвид Брук
Веб-разработка: Lianne Sallows
DoITPoMS финансируется Великобританией Центр материаловедения и кафедра материаловедения и металлургии, Кембриджский университет
Дополнительную поддержку в разработке этого TLP оказала компания Worshipful Company of Armourers and Brasiers ‘
Тепловые двигатели, эффект Кюри и нитинол
Магнитный тепловой двигатель с точкой Кюри — как это работаетТепловой двигатель использует принцип магнетизма, открытый Пьером Кюри. Он изучал влияние температуры на магнетизм. Ферромагнетизм охватывает поле нормального магнетизма, которое люди обычно ассоциируют с магнитами. Все обычные магниты и материалы, которые притягиваются к магнитам, являются ферромагнитными материалами. Пьер Кюри обнаружил, что ферромагнитные материалы имеют критическую температуру, при которой материал теряет свое ферромагнитное поведение. Это известно как точка Кюри.
Например, кусок железа (Fe) при комнатной температуре сильно притягивается к магниту.Нагрейте железо до температуры 770 ° C, которая является его точкой Кюри, оно теряет ферромагнетизм и больше не притягивается к магниту. Если мы дадим железу остыть, оно снова станет ферромагнитным и снова притянется к магниту.
Мы можем использовать это свойство для создания небольшого теплового двигателя свингерского типа. В тепловом двигателе используется проволока из никелевого сплава с низкой точкой Кюри, см. Рисунок справа. Когда проволока имеет комнатную температуру, она притягивается к магниту и поворачивается близко к магниту. В этом положении, обозначенном на рисунке буквой B, он нагревается пламенем маленькой свечи для торта на день рождения. Когда температура материала достигает точки Кюри, он теряет ферромагнетизм и падает от магнита в положение A и выходит из пламени свечи. По мере охлаждения проволока восстанавливает свой ферромагнетизм и снова притягивается к магниту, где снова поворачивается к магниту в положение B и обратно в пламя свечи. Этот процесс повторяется, раскачивая проволоку из никелевого сплава вперед и назад.
Инструкции и материалы.
Фотографии и видео работы теплового двигателя. Щелкните изображение, чтобы просмотреть видео.
Проверка настройки теплового двигателя (0,4 мегабайта) Бегущий тепловой двигатель (1,5 мегабайта)
Принадлежности
Свеча латунная BC-01 — 14,95 $
Компоненты, приобретаемые отдельно для создания собственного теплового двигателя
DiscMagnet-01 — 7 долларов. 95
Неодимовый дисковый магнит диаметром 1 дюйм
N-Wire-01 — 4,95 долл. США
6-дюймовый провод низкой точки Кюри
Комплект для теплового двигателя с нитинолом
См.
Тепловая машина в действии!
Дополнительная информация
Щелкните изображение, чтобы увидеть компоненты комплекта
Тепловой двигатель на нитиноле — работает от горячей и холодной воды.
Тепловой двигатель — это особый вид теплового двигателя, который демонстрирует преобразование тепловой энергии в механическую.На основании работа доктора Альфреда Джонсона, получившего патент на этот тип теплового двигателя в патенте 1977 г. № 4,055,955.
Он использует уникальное свойство сплава нитинола для создания механических движение от тепла. Нитинол приучил форму при высокой температуре (около 600 ° C) и дать остыть до комнатной температуры, где можно легко деформироваться и свариваться в петлю.
При нагревании выше температуры перехода (в этом приложении о От 50 ° C до 70 ° C) объект из нитинола резко возвращается к своей высокой температуре форма со значительной силой, которая может приводить в движение шкивы и таким образом создать движение.
HE-02N — 65,95 долл. США
Тепловой двигатель с нитинолом
Ферромагнитные материалы — обзор
Реакция ферромагнитного материала на внешнее магнитное поле с механической деформацией была впервые обнаружена Дж. П. Джоулем в 1842 году на образцах железа. Линейная деформация, возникающая в ответ на изменение намагниченности материала, называется магнитострикцией Джоуля .Обратный процесс, при котором ферромагнитный материал меняет свое состояние намагниченности под воздействием внешнего механического напряжения, называется эффектом Виллари . Оба явления коренятся в магнитоупругой связи, взаимодействии, которое возникает из-за зависимости энергии магнитокристаллической анизотропии от деформации. Эта конкретная взаимозависимость между деформацией и намагниченностью в определенных материалах приводит к связанной реакции на приложенные извне магнитные поля и поля напряжений, что делает эти материалы ценными для приложений преобразования энергии.Никель, один из трех переходных металлов с ферромагнитными свойствами (два других — Fe и Co), широко использовался в производстве преобразователей SONAR до 1950-х годов. На протяжении десятилетий фундаментальные исследования, направленные на понимание механизмов, управляющих магнитоупругостью, привели к новым открытиям. В 1960-х годах было обнаружено, что редкоземельные элементы обладают исключительными магнитострикционными свойствами (Clark et al., 1963; Legvold et al., 1963), однако только при низких температурах. После 1970 года интенсивные поиски эффективных и практичных магнитострикционных материалов привели к открытию высокой магнитострикции в сплавах с фазой Лавеса R Fe 2 ( R = Tb, Sm) при комнатной температуре (e. g., температура Кюри T C = 711 K для TbFe 2 ) (Clark, 1980). Более того, за счет частичного замещения тербия диспрозием или самария эрбием высокая магнитокристаллическая анизотропия бинарных сплавов значительно снижается, что значительно улучшает характеристики материалов при более низких полях. С тех пор Tb 0,3 Dy 0,7 Fe 1,90–1,95 (TERFENOL-D) 1 является основным магнитострикционным материалом, используемым в инженерных приложениях.Непрерывный поиск новых материалов привел к обнаружению в 1999 году больших магнитострикционных деформаций в сплавах железа и галлия в Центре боевых действий ВМС, подразделение Кардерок (NSWC-CD) (Clark et al., 2000a, b; Guruswamy et al., 2000). Хотя измеренные деформации были меньше, чем те, которые были обнаружены в семействе редкоземельных сплавов (приблизительно), некоторые свойства недавно открытого Fe 81,6 Ga 18,4 (галфенол) 2 сыграли важную роль в расширении применимость магнитострикционных материалов в датчиках / исполнительных механизмах и в энергетике.К этим свойствам относятся высокие деформации в умеренных полях ( H, , , насыщение, <250 Э), высокая проницаемость, низкий гистерезис, пластичность и ударопрочность, а также возможности обработки и сварки с использованием обычных методов. Дополнительные функциональные свойства галфенола в поликристаллической форме перечислены в таблице 3.1. Недавно был разработан метод создания предварительного напряжения в стержнях из галфенола посредством отжига (Wun-Fogle et al., 2005). Это позволяет использовать галфенол не только при сжатии, но и при напряжении , действие, которое невозможно с хрупкими материалами, такими как терфенол или пьезоэлектрики.О способности работать при растягивающих нагрузках ~ 40 МПа при сохранении почти полной магнитострикции сообщалось для температур от -50 до 150 ° C (Restorff and Wun-Fogle, 2010). Более того, снижение стоимости, связанное с исключением редкоземельных элементов из синтеза, повышает товарность галфенола как активного материала. Специализированные компании по производству интеллектуальных материалов, такие как ETREMA Products Inc., сыграли решающую роль в ускорении передачи технологий из лаборатории на рынок как терфенола, так и галфенола.
Таблица 3.1. Функциональные свойства поликристаллического галфенола (Fe 81,6 Ga 18,4 )
Деформация насыщения | 200–250 частей на миллион при предварительном напряжении 7000 фунтов на квадратный дюйм (внешнее приложение или встроенное посредством отжига под напряжением) | ||
150–250 Э в зависимости от приложенного предварительного напряжения (большее предварительное напряжение требует больших насыщающих магнитных полей) | |||
Плотность магнитного потока насыщения | 1.5 Тл (в магнитных полях, указанных выше) | ||
Типичная магнитная проницаемость мкм r | 75–100 (ниже при больших напряжениях) | ||
ΔH гистерезис | 10–15 | Зона гистерезиса большой петли | 10 3 Дж / м 3 |
Магнитная анизотропия | 10 4 Дж / м 3 | ||
15–30 нм / А (ниже при больших напряжениях) | |||
Жесткий модуль Юнга | 75 ГПа | ||
Мягкий модуль Юнга | ≈ 40 ГПа | ||
Температура Кюри | ≈ 950 К | ||
Предел прочности при растяжении | & gt; 500 МПа |
Предоставлено E.Саммерс из ETREMA Products Inc.
Капли ферромагнитной жидкости с регулируемыми магнитными свойствами
Значимость
Структурированные функциональные жидкости сочетают механическую универсальность жидкостей с твердотельными свойствами, такими как ферромагнетизм, и предлагают путь для синтеза и управления магнитными жидкостями для адаптивного жидкостная робототехника. Исследования этих интригующих материалов только зарождаются, а глубокое понимание физического состояния все еще отсутствует.Мы используем гидродинамические эксперименты, чтобы исследовать, как намагниченность капель ферромагнитной жидкости, управляемая сборкой и заклиниванием магнитных наночастиц на границах раздела жидкость-жидкость, и их реакция на внешние воздействия может быть настроена химическими, структурными и магнитными средствами. Наши результаты подчеркивают ведущую роль структурного ближнего порядка в магнитных свойствах, которые открывают путь к созданию структурированных жидкостей с наноразмерными структурами.
Abstract
Сборка и заклинивание магнитных наночастиц (НЧ) на границах раздела жидкость – жидкость представляет собой универсальную платформу для придания структурированным каплям жидкости намагниченности, т.е.е., производящие капли ферромагнитной жидкости (FMLD). Здесь мы используем гидродинамические эксперименты, чтобы исследовать, как намагниченность FMLD и их реакция на внешние стимулы могут быть настроены химическими, структурными и магнитными средствами. Остаточная намагниченность возникает из-за магнитных НЧ, застрявших на границе раздела жидкость-жидкость, и диспергированных НЧ, магнитостатически связанных с границей раздела. FMLD образуются даже при низких концентрациях магнитных НЧ при смешивании немагнитных и магнитных НЧ, поскольку лежащая в основе магнитно-дипольная кластеризация магнитных НЧ-поверхностно-активных веществ на границе раздела создает локальные магнитные свойства, аналогичные тем, которые обнаруживаются с растворами чистых магнитных НЧ.Несмотря на то, что суммарная намагниченность меньше, такое группирование наночастиц может позволить структурировать жидкости с неоднородными поверхностями.
Границы раздела жидкость – жидкость действуют как ловушки для молекулярных поверхностно-активных веществ (1, 2), полиэлектролитов (3, 4), биоматериалов (5) и микрочастиц / наночастиц (НЧ) (6, 7), которые уменьшают межфазную энергию (6) и наделить интерфейс присущими им свойствами. Эта функционализация позволяет создавать новые магнитные (8⇓ – 10), оптические (11⇓ – 13), электрические (14, 15) и биологические (16) материалы.Частицы, застрявшие на границе раздела, обеспечивают высокую устойчивость системы к деформации и коалесценции, что актуально для таких приложений, как инкапсуляция для доставки лекарств и жидкостные реакторы (17, 18). Твердые и мягкие коллоидные суспензии демонстрируют стеклование в зависимости от концентрации; раствор достигает стекловидного состояния, когда концентрация коллоидов достаточно высока, чтобы замедлить движение отдельных частиц на большие расстояния (19⇓⇓⇓ – 23). Рамсден и Готч (24) обнаружили, что суспензии, растворенные в растворе, могут коагулировать на поверхности с образованием твердого слоя, который стабилизирует неравновесную форму капель.Herzig et al. (19) использовали блокировку монослоя коллоидных частиц на границе раздела жидкостей, подвергающихся спинодальному фазовому разделению, чтобы остановить систему в биконепрерывном жидком состоянии, называемом «бижели». Обеспечивающая жесткость достигается за счет заклинивания монослоя НЧ на границе раздела, который может локально расцепляться в присутствии внешней силы, что позволяет реконфигурировать структурированные жидкости (15). Чтобы поддерживать неравновесную форму жидкостей, энергия связи НЧ с границей раздела должна быть достаточно высокой, чтобы противостоять сжимающей силе, которая возникает, когда жидкости пытаются вернуться к своей сферической равновесной форме.С этой целью Рассел с соавторами (15) разработали концепцию НП-поверхностно-активных веществ, которые образуются на границе раздела двух несмешивающихся жидкостей, где функционализированные наночастицы диспергированы в одной жидкости, а лиганды, имеющие дополнительную функциональность, растворяются во второй. жидкость. Лиганды прикрепляются к поверхности наночастиц на границе с образованием наночастиц поверхностно-активных веществ, где энергия связи наночастиц поверхностно-активных веществ на границе раздела на несколько порядков больше, чем у наночастиц. Приложение внешнего электрического поля деформирует каплю воды, содержащую НЧ, в масле, содержащем полимерные лиганды, в эллипсоид.Это структурное преобразование создает большую площадь поверхности раздела и способствует сборке большего количества поверхностно-активных веществ NP на границе раздела. При снятии поля НЧ-ПАВ заклиниваются, запираясь в неравновесной эллипсоидальной форме. НЧ-поверхностно-активные вещества защищены от электростатического отталкивания между НЧ, что способствует плотной упаковке (25–27). Абсорбированные полимерные лиганды на поверхности наночастиц могут дополнительно усиливать капиллярную силу между наночастицами (28).
Недавно мы обнаружили, что сборка на границе раздела и блокирование НЧ парамагнитного оксида железа (Fe3O4) на границе раздела между водной фазой, содержащей функционализированные НЧ, и раствором толуола с функционализированными лигандами с дополнительными функциональными возможностями преобразовали исходные капли феррожидкости в капли ферромагнитной жидкости ( FMLDs) (9) путем ограничения поступательных и вращательных степеней свободы НЧ и увеличения силы связи, связанной с магнитными дипольными взаимодействиями между соседними НЧ, за счет увеличения их плотности упаковки (29, 30).Последнее достигается за счет уменьшения пространственного разделения между электростатически отталкивающими НЧ за счет электростатического экранирования вблизи границы раздела. Одновременно застрявшие NP-поверхностно-активные вещества придают капле высокий модуль упругости, который сопротивляется деформации капли и на неопределенное время сохраняет форму капли. В отличие от твердых постоянных магнитов, где магнетизм возникает из обменно связанных жестких и неподвижных атомов, сборка магнитных НП-поверхностно-активных веществ является динамической и обратимой.В магнитных свойствах преобладает структурный переход от жидкости к стеклу, который создает двумерный (2D) слой наночастиц на изогнутой границе раздела и создает остаточную намагниченность капли (9, 10). Исследования этих интригующих материалов только зарождаются, и полное понимание сборки НЧ и результирующей намагниченности капли в присутствии и отсутствии внешнего магнитного поля все еще отсутствует. В этом контексте необходимо более подробное изучение процесса сборки и заклинивания в отношении влияния концентрации НЧ, природы лигандов и НЧ, pH и размера капель.
Изучение кинетики образования, сборки и заклинивания сборок магнитных NP-поверхностно-активных веществ имеет решающее значение для понимания и контроля как магнитных, так и механических свойств FMLD, связанных через структурный ближний порядок магнитных NP-поверхностно-активных веществ, и обеспечивают понимание обратимого превращения капель феррожидкости в FMLD. В зависимости от химических свойств, которые способствуют или препятствуют миграции НЧ, вызванной электростатикой, к границе раздела, временная шкала образования магнитных НЧ-поверхностно-активных веществ составляет порядка минут, что делает внутренние временные рамки переключения намагниченности НЧ (фемтосекунды) несущественными.Однако, поскольку магнитные НЧ обладают поступательными и вращательными степенями свободы в жидком состоянии до заклинивания, на их структурную структуру влияют магнитные дипольные взаимодействия между соседними НЧ и внешнее магнитное поле. В этом смысле намагниченность отдельных НЧ можно представить как макровращение, на которое влияет окружение посредством магнитостатических взаимодействий. Динамика и сборка магнитных наночастиц на границах раздела жидкость-воздух и жидкость-жидкость может быть довольно сложной и настраиваемой с помощью переменных магнитных полей, ранее продемонстрированных с помощью незащищенных магнитных частиц и кластеров (31–33).Комбинация гидродинамической жидкости, обтекающей магнитные частицы, и внешнего периодического магнитного поля изменяет динамическую самосборку и подвижность магнитных частиц на границе раздела. Длинные цепи (32⇓ – 34) и решетки (35) образуются в переменных плоских магнитных полях, где баланс между вязким и магнитным крутящим моментом, а также магнитное притяжение и гидродинамическое отталкивание определяют стабильность и механический отклик динамически устойчивых и упорядоченных структур. . Напротив, плотная упаковка застрявших магнитных частиц препятствует подвижности отдельных частиц, создавая остаточную намагниченность всей капли.Создание конфигурации намагничивания, которая сохраняет направление и величину остаточной намагниченности, настраиваемые магнитные свойства и реконфигурируемость формы, делает FMLD привлекательными для приложений в адаптивных / чувствительных магнитных системах, биомиметических роботизированных системах и жидкостных исполнительных механизмах (36–38).
Здесь мы изучаем индуцированное магнитным полем вращательное и поступательное движение микролитровых FMLD (≈5 × 1010 наночастиц), чтобы исследовать блокировку магнитных и немагнитных наночастиц и их влияние на магнитные свойства структурированной жидкости.Связь между структурным и магнитным ближним порядком магнитных НП-поверхностно-активных веществ (рис. 1 A ) и суммарной намагниченностью FMLD исследуется путем анализа механической реакции с точки зрения скорости и угловой частоты на стационарное и вращающееся магнитное поле. как функция угловой скорости магнита [(1 ~ 50) Гц], объема капель [(0,2 ~ 20) мкл], pH, концентрации НЧ и времени. Аналитическое описание гидродинамики и микромагнитного моделирования значительно меньшей FMLD используется для интерпретации результатов.Наш анализ основан на предположении об увеличении суммарной намагниченности FMLD с увеличением заклинивания из-за уплотнения слоя поверхностно-активного вещества и улучшенного сцепления диспергированных частиц с границей раздела, вызванного магнитостатическим взаимодействием. Последнее происходит из-за магнитных дипольных полей, излучаемых в каплю от НЧ неправильной формы, случайно ориентированных на границе жидкость-жидкость. Эксперименты выявляют зависящую от объема / площади толщину слоя (намагниченность), что объясняется межфазным многослойным образованием в виде магнитостатических магнитных НЧ, связанных с магнитными НЧ-поверхностно-активными веществами или дисперсными образцами, усиливающими магнитную восприимчивость в непосредственной близости. поверхности капли.Соответствующее увеличение магнитного момента на капле и угловой частоты вращения капли доступно с помощью оптических средств. Электростатическое отталкивание между заряженными НЧ сильнее при более высоком pH из-за депротонирования карбоксильной группы, что увеличивает расстояние разделения и ослабляет силу связи, связанную с магнитным дипольным взаимодействием. Несмотря на то, что на ближний порядок действуют магнитостатические силы, электростатическое взаимодействие доминирует в сборке и позволяет химический контроль в настоящих экспериментах.
Рис. 1.FMLD, построенные из наночастиц оксида железа, застрявших на границах раздела жидкость – жидкость. ( A ) Иллюстрация основана на микромагнитном моделировании короткодействующих упорядоченных НП (слева) и соответствующих макросов (справа), образующих двумерную изогнутую поверхность с остаточной намагниченностью. Цвет и стрелка на правой стороне капли указывают вектор намагниченности на поверхности. ( B ) Распределение по размерам наночастиц Fe3O4-COOH со средним диаметром (29,6 ± 2,8) нм, определенное с помощью подгонки Гаусса.( C ) Ближний порядок высушенных НЧ Fe3O4-COOH на наномембранах из нитрида кремния, визуализированный с помощью просвечивающей электронной микроскопии в полном поле. (Масштаб: 80 нм.) ( D ) Функция радиального распределения (расст.) Сборок NP, аналогичная отображаемой в C , подтверждает плотную упаковку и ближний порядок. Первый и второй пики появляются при 37,6 и 71,2 нм соответственно. ( E ) Изображение, полученное методом атомно-силовой микроскопии in situ, наночастиц оксида железа, застрявших на границе раздела жидкость-жидкость, измеренное после 25-минутной инкубации.(Масштаб: 200 нм.) ( F ) Временная эволюция межфазного натяжения водных дисперсий НЧ Fe3O4-COOH (1 г / л), введенных в растворы POSS-Nh3 в толуоле (1 г / л) , демонстрирующий межфазную активность магнитных NP-поверхностно-активных веществ при различных pH.
Граница раздела двух несмешивающихся жидкостей, например воды и масла, по своей природе отрицательно заряжена из-за поглощения гидроксильных ионов (39). Мы используем отрицательно заряженные функционализированные карбоновой кислотой магнитные НЧ оксида железа (Fe3O4-COOH), диспергированные в воде, которые отталкиваются от поверхности раздела.Общая толщина органических слоев, то есть одного монослоя олеиновой кислоты и одного монослоя амфифильного полимера, составляет равномерно ≈4 нм. Диаметр НЧ составляет (29,6 ± 2,8) нм с неорганическим магнитопроводом ≈22 нм. Статистическое распределение формы и размера частиц (рис. 1 B ) усиливает стеклообразное состояние с ближним порядком (рис. 1 C и D ). Последний количественно определяется функцией радиального распределения высушенных образцов, аналогичных показанным на рис.1 С . Первый, второй и третий пики появляются в количестве, кратном среднему диаметру частиц плюс ≈8 нм (в зависимости от pH), что указывает на плотную упаковку и ближний порядок. Принимая во внимание, что эти статистические данные получены из изображений высушенных магнитных НП-поверхностно-активных веществ, полученных с помощью просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ), из-за проблем с отображением слоев магнитных НП-поверхностно-активных веществ в их жидком состоянии, что очевидно из низкого качества изображения атомно-силовой микроскопии (АСМ), аналогичное распределение и поведение ожидаются и, в некоторой степени, подтверждаются экспериментами (рис.1 E ). Электростатическое отталкивание регулируется путем изменения pH и добавления к масляной фазе молекул полиэдрического олигомерного силсесквиоксана (POSS), которые собираются на границе раздела вода / масло из-за их высокой межфазной активности. Эти меры способствуют образованию и сборке NP-поверхностно-активных веществ на границе раздела (рис. 1 E ), вызывая немедленное снижение межфазного натяжения (рис. 1 F ). Застрявшие слои НЧ-ПАВ плотно упакованы со значительной степенью структурного беспорядка (рис.1 C — E ) и трансформируют НЧ оксида железа в ферромагнитные НЧ-поверхностно-активные вещества, расщепляющиеся на магнитные домены вблизи остаточной намагниченности (Рис. 1 A ).
Гидродинамические эксперименты
Ранее мы использовали обычные методы, включая магнитометрию с вибрационным образцом и магнитооптическую магнитометрию на эффекте Керра, для оценки магнитных свойств и различения застрявших (FMLD) и неповрежденных (феррожидких) капель (9). Эти инструменты статической характеризации, которые полагаются на магнитное насыщение, обычно медленно собирают данные и могут влиять на сборку и заклинивание магнитных НЧ.Они относительно нечувствительны к небольшим изменениям структурного ближнего порядка, влияющим на намагниченность FMLD, из-за различного разделения частиц (сила магнитостатической связи) и количества ближайших соседей (спиновая фрустрация). Другая перспектива может быть получена с помощью экспериментов по гидродинамике с магнитным полем, в которых основное внимание уделяется механическому отклику в терминах вращательного и поступательного движения под действием внешнего магнитного поля. Этот подход удивительно чувствителен к образованию слоя ферромагнитного поверхностно-активного вещества и экспериментально осуществим при работе с микролитровыми каплями, которые видны под оптическим микроскопом (рис.2). Концентрация НЧ 1 г / л соответствует ≈5 × 1010 НЧ, диспергированных в капле объемом 1 мкл. Как правило, отличная от нуля угловая частота индуцируется заблокированной чистой намагниченностью FMLD, которая сохраняется при остаточной намагниченности и даже при наличии внешнего управляющего поля (<20 мТл / μ0). Это требование необходимо для физического управления FMLD с помощью магнитного поля и предотвращения переключения намагниченности отдельных магнитных НП-поверхностно-активных веществ. Следовательно, анализ изменения угловой частоты во времени дает информацию о процессе создания помех, т.е.е. частичное, локальное или полное заклинивание, а также образование слоев поверхностно-активного вещества различной плотности и толщины. Вращение капли отслеживают с помощью оптического микроскопа с точки образования капли (t = 0 с) и количественно определяют с точки зрения угловой частоты, полученной из временной последовательности изображений (Movie S1) с помощью автокорреляции.
Рис. 2.Движение FMLD под действием магнитного поля. ( A ) Временное изменение угловой частоты (частоты) капли при различных значениях pH под действием внешнего магнитного поля, вращающегося с постоянной частотой возбуждения 5 Гц.Концентрации НЧ Fe3O4-COOH и POSS-Nh3 составляют 1 г / л; объем капли — 1 мкл. ( B и C ) Время начала ( B ), угловое ускорение (ускорение) и равновесная угловая частота ( C ), полученные из A . Время наступления определяется экстраполяцией фланга; угловое ускорение представляет собой наклон фланга. Обе величины описываются экспоненциальным убыванием. ( D ) Структурная деформация во время формирования FMLD в присутствии вращающегося магнитного поля, указывающего на частичное, локальное заклинивание почти во время начала.FMLD образуется при pH 5 через 25 мин. (Масштаб: 0,5 мм.) ( E ) Серия изображений двух FMLD, приближающихся друг к другу при остаточной намагниченности в масляной фазе. Концентрации НЧ Fe3O4-COOH и ПОСС-Nh3 составляют 0,5 и 10 г / л соответственно. Остаточные намагниченности указаны стрелками. (Масштаб: 1 мм.) ( F и G ) Линейное движение капель ферромагнитной жидкости (заблокированных) и парамагнитных ферромагнитных жидкостей (не заблокированных), вызванное градиентом магнитного поля, демонстрирует разные скорости и ускорение.( H ) Равновесный крутящий момент на FMLD как функция pH показывает ту же тенденцию, что и угловое ускорение и частота в C .
Неповрежденная капля имеет очень малую угловую частоту и ускорение, поскольку плотность НП-поверхностно-активных веществ на границе раздела недостаточна, чтобы вызвать плотную упаковку наночастиц и значительную магнитную дипольную связь (рис. 2 A ). Фактически, НЧ, вероятно, случайным образом расположены на границе раздела с вращательными и поступательными степенями свободы, подобными их дисперсным аналогам, что может привести к вращению области границы раздела капли, несмотря на то, что они остаются парамагнитной феррожидкостью (Movie S2).Образование наночастиц поверхностно-активных веществ и соответствующего межфазного барьерного слоя замедляется при высоких значениях pH из-за более слабого электростатического экранирования и более сильного отталкивания. Последнее происходит из-за ускоренного депротонирования карбоксильных групп, украшающих заблокированные НЧ, и снижения поглощения положительно заряженных лигандов на границе раздела. В это время капля медленно вращается в результате локальных скоплений (Movie S3). В то время как отдельные вращающиеся НЧ практически не вызывают какого-либо движения, агрегаты микроскопических размеров с суммарной намагниченностью испытывают магнитный момент, вызывая вращение окружающей жидкости и, в конечном итоге, всей капли за счет трения (рис.2 А ). На этом этапе остаточная намагниченность капли незначительна из-за квазисвободного движения случайно распределенных агрегатов. Покрытие поверхности агрегацией (поверхностная плотность НЧ-ПАВ) со временем увеличивается, что увеличивает степень заедания и остаточную намагниченность. Экспериментально мы наблюдали переход от незащищенных границ раздела к частично и полностью застрявшим в виде структурной деформации начальной и конечной сферической капли в присутствии вращающегося магнитного поля (рис.2 D ) из-за пространственных изменений жесткости, намагниченности и магнитной анизотропии на поверхности, вызванных магнитными дипольными взаимодействиями в слое магнитных наночастиц и поверхностно-активного вещества (10).
Момент времени, в который достигается критическая плотность NP-поверхностно-активного вещества для полного межфазного забивания, называется временем начала и зависит от pH и электростатического экранирования (Рис. 2 B ). Дальнейшие перегруппировки NP-поверхностно-активного вещества на поверхности сжимают сборку и открывают пространство для образования и сборки большего количества NP-поверхностно-активных веществ на границе раздела.Более плотная упаковка усиливает магнитное дипольное взаимодействие, магнитную анизотропию на поверхности, намагниченность и соответствующую угловую частоту. Равновесная угловая частота в первом приближении пропорциональна намагниченности и косвенно пропорциональна pH из-за более слабого электростатического экранирования и немного большего разделения НЧ, что значительно снижает магнитные дипольные взаимодействия и стабильность при высоких pH. Подобная зависимость показывает максимальное угловое ускорение, возникающее из-за самого процесса заклинивания, которое показывает такое же экспоненциальное затухание с pH (1.7 ± 0,3 против 1,7 ± 0,6) как равновесная угловая частота (рис. 2 C ). Ограничение подвижности отдельных частиц влияет как на структурные свойства, то есть переход жидкости в стеклообразное состояние, так и на магнитные характеристики заблокированных НЧ, которые, согласно микромагнитному моделированию капель диаметром 200 нм, демонстрируют магнитный ближний порядок на масштаб от 5 до 10 НЧ, видимых в формировании магнитных доменов (рис. 1 A ) и пространственных спин-спиновых корреляционных функциях (10). Хотя мы не ожидаем значительных изменений с увеличением размера капель, магнитное упорядочение и возникающая суммарная намагниченность будут сильно зависеть от внутренних свойств наночастиц, т.е.е., магнитокристаллическая анизотропия и анизотропия формы, температура и химические параметры, определяющие разделение частиц и обеспечивающие химический контроль с помощью pH. Несмотря на отсутствие доказательств магнитного ближнего порядка, что в конечном итоге требует экспериментов с магнитным отображением или рассеянием, результирующая чистая намагниченность FMLD очевидна из переориентации приближающихся FMLD из-за капиллярных и магнитных дипольных сил (рис. 2 E ). Наличие чистой намагниченности препятствует поступательному движению, вызываемому градиентом магнитного поля, по сравнению с феррожидкостями с такими же свойствами (рис.2 F и G ). Разница в ускорении и, следовательно, в скорости и смещении прямо пропорциональна количеству НЧ, намагниченность которых совпадает с направлением магнитного поля.
Математически гидродинамические эксперименты можно описать как связанную нелинейную систему для угловых смещений φ (оболочка) и φc (сердцевина), где вращающееся магнитное поле оказывает магнитный момент на жесткую оболочку, то есть на слой ферромагнитного NP-поверхностно-активного вещества. , который испытывает трение с обеих сторон: Jsφ̈ (t) = μ0μrMH0sinω0t − φ (t) −8πηr3φ̇ (t) −8πηcrin3φ̇ (t) −φ̇c (t), Jcφ̈c (t) = — 8πηcrin3φ̇ (t) −φ̇c ( т).[1] Здесь r и rin (t) = r − Δr⋅t представляют собой внешний и внутренний радиус оболочки капли, соответственно. Последнее может монотонно увеличиваться со временем из-за магнитостатических взаимодействий между диспергированными и заблокированными НЧ после того, как диспергированные образцы намагничиваются и перемещаются к границе раздела градиентом магнитного поля. Моменты инерции межфазного слоя ПАВ и капли воды, содержащей диспергированные НЧ, определяются как Js = 2343πρNPr3 − rin3r2 и Jc = 2343πρwaterrin3rin2 соответственно.Вязкость водной и масляной фаз выбрана равной η = 0,89 г / (м⋅с) и ηc = 0,656 г / (мс) соответственно. Допуская идеальную сферическую каплю с однородной плотностью поверхностно-активного вещества и соответствующими однородными трением и намагниченностью, внутренний радиус капли rin остается единственным свободным параметром. Все остальные параметры определены экспериментально. Намагниченность M представляет собой перенормированную намагниченность объемного насыщения слоя (оболочки) поверхностно-активного вещества, зависящую от внутреннего радиуса rin и аппроксимируемую как однородное распределение макроспинов (плотноупакованных НЧ), которые обладают намагниченностью насыщения 300 кА / м.Коэффициент перенормировки (0,28 ± 0,01 при pH 5), полученный из экспериментальных и микромагнитных петель гистерезиса M (H), учитывает меньшую намагниченность в присутствии ведущего поля. В некоторой степени при этом учитывается модифицированная магнитная проницаемость μr дисперсных НЧ, увеличивающая магнитную индукцию внешнего магнитного поля вблизи границы раздела. Как водная, так и масляная фазы обладают демпфированием, связанным с вязкостью, которое линейно зависит от угловой частоты, что при недостаточном магнитном моменте вызывает десинхронизированное вращение.Направление и амплитуда крутящего момента и углового ускорения периодически меняются (Рис. 3 A и B ; SI Приложение , Рис. S1), так как они зависят от относительного угла между внешним магнитным полем (H0 = 20 мТл). / μ0), вращающийся с постоянной частотой ω0 / 2π = 5 Гц, и результирующая намагниченность FMLD. Это приводит к значительному уменьшению экспериментально доступной усредненной по времени угловой частоты. Это наблюдается как в эксперименте (рис. 3 C ), так и при численном моделировании (рис.3 Б ) (10). Фактически, гидродинамическая угловая частота всех исследованных FMLD как минимум на порядок ниже, чем частота возбуждения ω0. Снижение трения, то есть уменьшение размера капель или вязкости, или частоты возбуждения может компенсировать низкую намагниченность. Эта тенденция экспериментально наблюдается для ω0 / 2π в диапазоне от 1 до 50 Гц (рис. 3 C ) и микролитровых капель с объемами от 0,2 до 20 мкл (рис. 3 D ). В первом приближении магнитный крутящий момент на чистую намагниченность FMLD может быть получен из равновесной угловой частоты с учетом баланса между магнитным крутящим моментом и трением с окружающим маслом.Помимо игнорирования вкладов, происходящих от переключения NP (происходящего в пикосекундном масштабе времени), что эффективно снижает намагниченность, на которую действует крутящий момент, это предполагает отсутствие ускорения или синхронизированного вращения оболочки и сердечника, что справедливо для очень малых ускорений или если угловая частота равна частоте возбуждения. Хотя для постоянного объема капель равновесный магнитный момент напоминает угловую частоту (рис.2 H ), это интересная мера для количественной оценки намагниченности FMLD с различными объемами и трением (рис.3 E ).
Рис. 3.Зависимость от размера и частоты полевого вращения FMLD. ( A ) Временная эволюция экспериментальной угловой частоты (частоты) для двух разных постоянных времени, обнаруживающая периодические изменения как знака, так и силы углового ускорения и существенно меньшее значение, чем частота возбуждения. ( B ) Моделируемая угловая частота вращающегося FMLD, магнитный момент которого недостаточен для обеспечения синхронного вращения из-за трения.( C ) Равновесная угловая частота для различных объемов FMLD и различных частот возбуждения, демонстрирующих эффект десинхронизации. ( D ) Временная эволюция угловой частоты как функция объема капли при постоянной частоте возбуждения 5 Гц. Концентрации НЧ Fe3O4-COOH и POSS-Nh3 составляют 1 г / л. ( E ) Равновесный крутящий момент на FMLD. ( F ) Сравнение экспериментальной и смоделированной угловой частоты. Магнитостатическое взаимодействие диспергированных и заблокированных наночастиц запускает формирование многослойного поверхностно-активного вещества, что отражается в моделировании толщиной слоя, зависящей от радиуса h .
Равновесная угловая частота экспоненциально уменьшается с радиусом капли как в эксперименте (рис. 3 C ), так и при моделировании. Это особенно заметно для малых частот возбуждения, где вращательное движение ближе к синхронизации. Кроме того, более крупным каплям требуется больше времени для ускорения и достижения устойчивого состояния из-за длительного поглощения НЧ и заклинивания на границе раздела, а также большей силы сопротивления в виде трения жидкостями внутри и снаружи капли.Учитывая структурный и магнитный ближний порядок в отношении более чем 1 миллиарда наночастиц, застрявших на границе раздела, изменение размеров микролитровых капель вряд ли повлияет на формирование, распространение или закрепление доменов. Расчет магнитного момента, приложенного к капле, дает экспоненциальную зависимость от радиуса (рис. 3 E ), что указывает на зависящую от радиуса толщину и намагниченность слоя поверхностно-активного вещества. Последний количественно определяется корреляцией с гидродинамическими расчетами с использованием уравнения. 1 и варьируя толщину слоя (рис. 3 F ). Предполагается, что намагниченность заблокирована, то есть не вращается вместе с ведущим магнитным полем. Хотя в наших экспериментах у нас нет средств подтвердить или опровергнуть это предположение, маловероятно, что значительный вклад является причиной зависимости угловой частоты от радиуса, поскольку ожидается, что малые FMLD пострадают меньше, чем большие. Наши эксперименты показывают обратную тенденцию. При моделировании постоянной толщины слоя, т.е.е., монослой поверхностно-активного вещества, значительно отклоняется от экспериментальных данных для мелких капель, толщина слоя, линейная по радиусу капли, показывает хорошее согласие экспериментальных и численных данных. Хотя объем капли изменяется на два порядка (от 0,2 до 20 мкл), соответствующий радиус (от 0,4 до 1,7 мм) остается постоянным по отношению к размеру наночастиц (∼10 нм) и ближнему порядку. Эта зависимость от радиуса предполагает важную роль отношения поверхности к объему в виде доступных НЧ, диспергированных в растворе.
FMLD можно аппроксимировать как ансамбль из ферромагнитного сердечника и ферромагнитной оболочки с заклиниванием. НЧ оксида железа, застрявшие на границе раздела жидкость-жидкость, становятся ферромагнитными за счет стабилизирующих магнитных дипольных взаимодействий между соседними НЧ. Оставшиеся диспергированные наночастицы могут вносить вклад в магнитный момент в форме либо эффективной магнитной восприимчивости, увеличивающей магнитную индукцию, либо более толстого слоя ферромагнитного поверхностно-активного вещества. Для концентрации НЧ 1 г / л и объема капли 1 мкл максимальная толщина слоя магнитного НЧ-ПАВ составляет семь монослоев; увеличивающая восприимчивость диспергированная НЧ вблизи границы раздела может достигать 1 мкм.Для идеальных сферических НЧ без магнитокристаллической анизотропии или анизотропии формы слой поверхностно-активного вещества будет демонстрировать внутреннюю магнитную анизотропию с намагниченностью и, в значительной степени, магнитными полями рассеяния, ограниченными границей раздела (рис.1 A ) (10) . Более реалистичная картина представляет собой случайное распределение формы НЧ, размеров и ориентации осей кристалла (рис. 1 C ). Это приводит к локализованным полям рассеяния, исходящим от границы раздела, которые притягивают дисперсные наночастицы оксида железа к границе раздела.Суммарная намагниченность подталкивает более диспергированные НЧ к границе раздела за счет магнитостатического взаимодействия. В результате сборка регулируется свойствами NP и локальным ближним порядком, а также доступным количеством диспергированных NP ( SI, приложение , рис. S2). Вышеупомянутое гидродинамическое моделирование и обсуждения относились к этой сборке как к многослойному поверхностно-активному веществу. Подчеркнем, что эта терминология мотивирована магнитными свойствами и не подразумевает механическое заклинивание всех слоев с химической точки зрения.Способность FMLD образовывать многослойные магнитные поверхностно-активные вещества сильно зависит от функционализации лиганда (10), что подтверждает текущую интерпретацию сборки, индуцированной магнитным полем рассеяния.
Строительство FMLD требует заклинивания НЧ и формирования слоя поверхностно-активного вещества с намагниченностью. Это может быть достигнуто с помощью наночастиц оксида железа или смесей магнитных и немагнитных наночастиц. Последнее проиллюстрировано на примере функционализированного карбоновой кислотой оксида кремния (SiO2-COOH) и наночастиц Fe3O4-COOH, которые имеют диаметры 15 и 22 нм соответственно.Добавление меньших наночастиц SiO2 способствует более плотной упаковке и усиленному блокированию наночастиц ( SI, приложение , рис. S4), поскольку обе наночастицы могут образовывать NP-поверхностно-активные вещества с лигандами на границе раздела ( SI, приложение , рис. S3). Намагниченность и, следовательно, угловая частота уменьшается с увеличением концентрации наночастиц кремнезема (рис. 4 A ). Сравнение с гидродинамическим моделированием с учетом однородной намагниченности, масштабируемой концентрацией НЧ оксида железа, показывает гораздо более слабый распад, чем прогнозировалось, что становится заметным для концентраций НЧ оксида железа ниже 80% (рис.4 В ). Это несоответствие объясняется кластеризацией наночастиц оксида железа (рис. 4 B , вставка ) во время процесса глушения, которые обладают, благодаря ближнему упорядочению, схожими магнитными свойствами, например намагниченностью и коэрцитивной силой, как заблокированные. граничат только с НЧ оксида железа. Для сравнения, однородное распределение магнитных и немагнитных НП-поверхностно-активных веществ сделало бы застрявший слой поверхностно-активного вещества парамагнитным из-за незначительных магнитных дипольных взаимодействий (40).Гетерогенное распределение НЧ делает количественный анализ магнитных свойств на основе аналитики практически невозможным и требует молекулярно-динамического и микромагнитного моделирования, чтобы установить связь между структурными микроскопическими и магнитными макроскопическими свойствами.
Рис. 4.Механический отклик гетерогенных FMLD, синтезированных из смеси магнитных НЧ Fe3O4 и немагнитных SiO2. ( A ) Угловая частота (частота) капель объемом 1 мкл как функция времени для различных концентраций магнитных НЧ.Общая концентрация НЧ составляет 1 г / л; 20% равняется 0,2 г / л НЧ Fe3O4; pH водной фазы 5; капли образуются при t = 0 с. ( B ) Сравнение эксперимента и численного моделирования угловой частоты в предположении однородного распределения НЧ. B , На вставке показана капля с темными точками, указывающими на кластеризацию НЧ оксида железа. (Масштаб: 0,1 мм.)
Заключение
Мы синтезировали FMLD и исследовали их механический отклик на вращающееся магнитное поле в зависимости от многочисленных химических и структурных параметров, чтобы оценить их магнитные свойства.Независимо от точного взаимодействия между магнитными НЧ с различным pH, заклинивание было предпосылкой для образования FMLD и соответствующего вращения. Большой pH препятствовал образованию застрявшего слоя и вызывал меньшие намагниченности из-за более слабого электростатического экранирования и более слабых стабилизирующих магнитных дипольных взаимодействий. Термически стабильная конфигурация намагниченности слоя NP-поверхностно-активного вещества консолидировала результирующую намагниченность, которая, как ожидается, будет оказывать магнитную силу на диспергированные магнитные NP.Последние могут связывать диспергированные наночастицы с границей раздела и приводить к многослойным поверхностно-активным веществам с точки зрения магнитных свойств. В результате магнитные свойства капли зависели от общего количества НЧ внутри капли и, для данной концентрации частиц, от объема капли. Это переводится в равновесную угловую частоту, которая масштабируется с радиусом, и меньшую линейную скорость по сравнению с неповрежденными каплями. Усредненная по времени угловая частота всех исследованных образцов была значительно меньше, чем частота возбуждения, и уменьшалась с частотой возбуждения из-за десинхронизации и периодически изменяющегося углового ускорения.Магнитные свойства FMLD были дополнительно изменены за счет заклинивания смесей оксида железа и немагнитных НЧ на границе раздела жидкостей. Низкие концентрации НЧ оксида железа превышали намагниченность, экстраполированную из высоких концентраций, из-за высокой межфазной активности и склонности к образованию кластеров с намагниченностью, подобной растворам чистых магнитных НЧ. Наши результаты демонстрируют, что гетерогенный рисунок из многофункциональных слоев NP-поверхностно-активного вещества возможен без ухудшения функциональности.Последнее может быть достигнуто путем селективной сборки НЧ в присутствии магнитных полей, перпендикулярных границе раздела, аналогично доменным образованиям в феррожидкостях (41).
Материалы и методы
Синтез дисперсий НЧ.
Чтобы приготовить растворы для формирования FMLD, мы используем две несмешивающиеся жидкости, то есть воду и масло, граница раздела которых по своей природе отрицательно заряжена из-за поглощения гидроксильных ионов (39). Добавление отрицательно заряженных карбоксильных НЧ, таких как магнитные НЧ оксида железа (Fe3O4-COOH; Ocean Nanotech) и НЧ диоксида кремния (SiO2-COOH; Микросфера-Наносфера), в водную фазу вызывает автоматическое отталкивание от границы раздела и однородную дисперсию.Растворимость в воде обеспечивается амфифильным полимерным покрытием с группой карбоновой кислоты и дзета-потенциалом в диапазоне от -35 до -15 мВ. Общая толщина органических слоев, т.е. одного монослоя олеиновой кислоты и одного монослоя амфифильного полимера, составляет ≈4 нм. Диаметр неорганического магнитопровода составляет 22 нм; ядро из диоксида кремния имеет диаметр 15 нм. Мы растворяем PSS- [3- (2-аминоэтил) амино] пропил-гептаизобутил-замещенные лиганды POSS (POSS-Nh3; Sigma-Aldrich) в масляной (толуол или CCl4) фазе.Молекулы POSS очень активны на границе раздела фаз, собираются на границе раздела вода / масло и вызывают заметное снижение межфазного натяжения. Концентрация 1 г / л используется как для Fe3O4-COOH, так и для POSS-Nh3. Более низкие концентрации НЧ достигаются добавлением деионизированной воды. PH дисперсий регулируется с помощью 1,0 M NaOH или HCl и измеряется с помощью pH-метра (Mettler Toledo Electrode Kit EL20 Edu Ph Benc). Толуол 99,9% и CCl4 99,5% были закуплены у Sigma-Aldrich. Аминные группы протонированы и положительно заряжены при pH Все данные исследования включены в статью и / или дополнительную информацию. Эта работа была поддержана Министерством энергетики США, Управлением науки, Управлением фундаментальных энергетических наук, материаловедения и инженерного отдела в рамках контракта DE-AC02-05-Ch21231 в рамках программы Adaptive Interfacial Assemblies Toward Structuring Liquids program ( KCTR16).Р.С. и П.Ф. были поддержаны Программой исследований и разработок под руководством лаборатории Национальной лаборатории Лоуренса Беркли в рамках контракта DE-AC02-05-Ch21231 Министерства энергетики США. X.W. была поддержана Пекинским инновационным центром науки и техники в области мягких материалов при Пекинском университете химических технологий. Вклад авторов: X.W., R.S. и T.P.R. спланированное исследование; X.W. и Ю. проведенное исследование; X.W., R.S., X.L., P.Y.K., Q.H., D.W., P.F. и T.P.R. проанализированные данные; и X.W., R.S. и T.P.R. написал газету. Авторы заявляют об отсутствии конкурирующей заинтересованности. Эта статья представляет собой прямое представление PNAS. Ф.С. является приглашенным редактором редакции журнала. Эта статья содержит вспомогательную информацию в Интернете по адресу https://www.pnas.org/lookup/suppl/doi:10.1073/pnas.2017355118/-/DCSupplemental. Только недавно давняя проблема эффективного отображения спектральной функции с разрешением по спину была решена с помощью двух размерные (2D) спиновые фильтры 17 в сочетании с импульсной микроскопией 16 (см. Методы).Мы провели такие измерения для тонких пленок странствующего ферромагнетика кобальта на синхротроне Elettra. На рис. 1a – c показаны измеренные спектральные функции с разрешением по спину на поверхности Ферми (FS) ферромагнетика. На двумерных импульсных дисках показаны томографические сечения гранецентрированной кубической (ГЦК) зоны Бриллюэна (BZ) в обратном пространстве (рис. 1d), в то время как перпендикулярная компонента импульса ( k ⊥ ) выбирается энергией фотона 19 . Диски импульсов с разрешением по спину обеспечивают исчерпывающий экспериментальный доступ к основным и неосновным спиновым вкладам в FS кобальта (см.также дополнительный рис.1), оба наблюдаются как острые состояния. Измеренная спин-разрешенная поверхность Ферми ГЦК кобальта. Интенсивности фотоэмиссии со спиновым разрешением на выбранных участках трехмерной поверхности Ферми 18 ML Co / Cu (100), измеренные при энергии фотонов hv = 85 эВ ( a ), hv = 70 эВ ( b ) и hv = 50 эВ ( c ). Граница объемной ГЦК-зоны Бриллюэна указана в каждом сечении вместе с точками высокой симметрии.Электронные элементы повторяются в соседних зонах, как показано для точек L ‘и L, которые обе принадлежат «шейке» соединения большинства FS на гранях (111). d Зона ГЦК Бриллюэна вместе с соответствующими разрезами, отобранными a — c . Согласно двухмерному цветовому коду в правом нижнем углу, интенсивность красного и синего цветов соответствует основным и неосновным электронным состояниям На рис. 1c энергия фотона ( hv = 50 эВ) была выбрана так, чтобы отсчитывать центр (Γ пункт) БЖ.На Γ мы обнаруживаем только неосновные спиновые состояния, а основной лист ПФ образует резкий квадратный контур. Слабая большая интенсивность на границе BZ (W-X-W) происходит из состояний на 300 мэВ ниже E F . Для дальнейшего обсуждения собственной энергии квазичастиц мы сосредоточимся на этом центральном разделе, который охватывает все возможные радиусы, представленные расстоянием k n между Γ-точкой и границей BZ в пределах одного импульсного диска. Как мы увидим ниже, это особенно полезно, поскольку приводит к наибольшему изменению собственной энергии по всему двумерному импульсному диску. На рис. 2а показана энергетическая дисперсия основных и неосновных спиновых особенностей вдоль направлений K-Γ-K и W-X-W. В отличие от ленточных диаграмм, часто встречающихся в учебниках по физике твердого тела, основная полоса уширяется уже на 300 мэВ ниже E F . Эксперимент с разрешением по спину (правая половина на рис. 2а) показывает, что кажущаяся интенсивность фона имеет характер большинства спинов и начинается вместе с сильным уширением состояния большинства. В направлении W-X-W это также совпадает с сильной полосой большинства, указывая на то, что наличие высокой спектральной плотности в небольшой ( E , k ) области приводит к выраженной электронной корреляции 20 .Напротив, уширение полос неосновных спинов оказалось значительно меньше, и U-образные особенности наблюдались вплоть до E F –1.6 эВ вдоль Γ-K. Карты полосовой дисперсии с разрешением по спину. a Дисперсия полос кобальта вдоль направлений K-Γ-K и W-X-W как функция энергии связи ( E — E F ), измеренная при hv = 50 эВ. Левая половина в a показывает эксперимент по усреднению спина в серой шкале интенсивности, а правая половина эксперимента с разрешением по спину в том же двухмерном цветовом коде, что и на рис.1. Пунктирные горизонтальные линии показывают энергии двумерных карт импульсов на рис. 4. b Расчетные интенсивности фотоэмиссии с разрешением по спину, соответствующие a , с использованием поправок, зависящих от импульса для перенормировки зон \ (\ frak {Re} \) Σ σ ( k ) как в e , и постоянное (левая половина) или E -зависимое уширение ℑ \ (\ frak {m} \) Σ σ ( E ) ( правая половина). Пунктирные кривые указывают на положение слабых полос, ориентирующих взгляд. c Расчет с использованием константы \ (\ frak {Re} \) Σ, как в f . Нижняя часть параболы большинства электронов (см. Сплошные стрелки) расположена слишком глубоко по сравнению с экспериментом в a и расчетом в b . Правая половина панели c использует зависящую от энергии ℑ \ (\ frak {m} \) Σ σ ( E ) в соответствии с расчетами DMFT из Ref. 11 , что занижает уширение, близкое к E F . d Геометрия фотоэмиссии, используемая как в эксперименте, так и в теории: пучок фотонов падает в положительном направлении k y под углом 25 ° к поверхности, намагниченность M и поляризация P находятся в плоскости вдоль k y Мы наблюдаем дополнительные недисперсионные вертикальные линии интенсивности (см. рис. 2a), которые проходят вдоль оси энергии. Эти «водопадные» интенсивности ранее наблюдались при измерениях фотоэмиссии высокотемпературных сверхпроводников 18 , и этот эффект был назван аномалией высоких энергий (ВЭА).HEA недавно приписали наличию сильных электронных корреляций, связанных с аномально большой перенормировкой зоны 21,22 . Было показано, что такие интенсивности водопада могут возникать также в результате фотоэмиссионных матричных элементов путем подавления интенсивностей вдоль высокосимметричных направлений 23,24 . Здесь мы можем исключить последнее объяснение, поскольку наблюдаемые водопады не находятся вблизи таких подавленных интенсивностей. Их наблюдение в странствующем ферромагнетике теперь является первым свидетельством того, что HEA является общим эффектом из-за электронных корреляций.На этой картинке интенсивности водопада возникают из-за коротких времен жизни квазичастиц в ферромагнетике. В частности, это приводит к появлению мнимых волновых векторов (см. Методы), вызванных комплексным потенциалом собственной энергии 25 . Поскольку фотоэмиссия исследует только компонент реального волнового вектора, \ (\ frak {Re} \) ( k ), в эксперименте наблюдаются вертикальные недисперсионные линии (см. Дополнительный рис. 2). Для количественной оценки электронных корреляций мы выполнили фотоэмиссионные расчеты в рамках одношаговой модели (1SM: см. Методы).В 1SM сложная собственная энергия Σ количественно определяет корреляции в терминах конечного времени жизни и перенормировки энергии относительно основного состояния LDA. Интенсивности фотоэмиссии рассчитываются для полных двумерных импульсных распределений, что позволяет проводить прямое сравнение с измеренными импульсными дисками. В слабокоррелированных электронных системах взаимодействия часто хорошо описываются в рамках приближения GW 3,20 . Как было показано для немагнитной металлической меди, изменение собственной энергии достаточно мало, так что волновые функции симметрии d и sp хорошо корректируются постоянной собственной энергией \ (\ frak {Re} \) Σ d, sp , соответственно 5 .Это упрощение можно рассматривать как самый первый шаг к более полному описанию собственной энергии электронов. Тем не менее, он по-прежнему предполагает, что для каждой орбитальной волновой функции электронные корреляции в металле являются локальными и связаны с отдельными узлами решетки, в отличие от нелокальности самих волновых функций валентной зоны. Этот подход, однако, представляет собой слишком простое приближение, которое не приводит к убедительным результатам для материалов, в которых взаимодействие электронов является критическим.Здесь мы приводим доказательства того, что для странствующего ферромагнетика кобальта собственная энергия должна рассматриваться как нелокальная, так что Σ σ ( E , k ) демонстрирует выраженную дисперсию в пределах BZ. В общем, собственная энергия Σ σ ( E , k ) представляет собой комплексное число, записанное как сумма его действительной и мнимой частей, Σ σ ( E , k ) = \ (\ frak {Re} \) Σ σ ( E , k ) + i · ℑ \ (\ frak {m} \) Σ σ ( E , к ).Вместо того чтобы рассматривать совместную зависимость от энергии E и волнового вектора k , мы для простоты предполагаем, что \ (\ frak {Re} \) Σ σ ( E , k ) зависит только от k и ℑ \ (\ frak {m} \) Σ σ ( E , k ) зависит только от E , что приводит к Σ σ ( E , k ) = \ (\ frak {Re} \) Σ σ ( k ) + i · ℑ \ (\ frak {m} \) Σ σ ( E ).Мнимая часть приводит к затуханию волновых функций и, следовательно, связана с коротким временем жизни квазичастичного состояния. Когда мы используем небольшую постоянную воображаемую собственную энергию (ℑ \ (\ frak {m} \) Σ = 0,05 эВ), все состояния появляются в расчетах как относительно резкие полосы, как показано в левой половине рис. 2b, c. В частности, появление U-образных основных состояний ниже E F -2 эВ следует классической картине обменного расщепления из учебников, но эти состояния полностью размыты в эксперименте. Таким образом, на первом этапе мы описываем сильное уширение основных спиновых состояний, которое наблюдается на рис. 2a, которое устанавливается при примерно 300 мэВ ниже E F зависящей от спина и энергии мнимой частью собственная энергия \ (\ frak {m} \) Σ = ℑ \ (\ frak {m} \) Σ σ ( E ). Соответствующая энергетическая зависимость ℑ \ (\ frak {m} \) Σ, которая используется в наших расчетах, показана на рис. 3а для обоих спинов. Зависимость собственной энергии комплекса от энергии и импульса в ЗБ. a Мнимая часть собственной энергии с разрешением по спину как функция энергии связи. Символы показывают данные, полученные из ширины линий большинства и меньшинства полос в нашем эксперименте. Пунктирные линии показывают расширение времени жизни по сравнению с предыдущей работой с использованием DMFT 11 , а сплошные линии показывают функциональную зависимость, которая приводит к наилучшему согласию экспериментов с нашими расчетами фотоэмиссии. b Вариация перенормировки квазичастиц \ (\ frak {Re} \) Σ σ ( k ) в ( k x , k y ) резка плоскости по центру БЖ.Перенормировка состояний меньшинства (↓) и большинства (↑) зависит только от расстояния | k | от точки Γ до границы BZ, где \ (\ frak {Re} \) Σ σ ( k ) становится постоянным и выполняются периодические граничные условия Функциональная зависимость для мажоритарных и неосновных спиновых электронов была выбрано таким образом, чтобы наилучшее совпадение рассчитанных интенсивностей фотоэмиссии было получено с измеренной спектральной функцией с разрешением по спину, как показано на рис.2а, а также в полных двумерных импульсных дисках при нескольких энергиях связи. Это ℑ \ (\ frak {m} \) Σ σ качественно следует предыдущим результатам DMFT 11 , которые, однако, недооценивают уширение, особенно близко к E F (см. Рис. 3a). Заметно увеличенное уширение, обнаруженное непосредственно под E F , дополнительно подтверждается шириной линий (символами), извлеченными из отдельных спектров (см. Дополнительный рисунок 3). Одного \ (\ frak {m} \) Σ, зависящего от E , недостаточно для полного описания экспериментальных импульсных дисков и спектральной функции.Это становится наиболее очевидным, если посмотреть на положение дна полосы параболического большинства в точке Γ, которая находится при слишком большой энергии связи на рис. 2c. Отметим, что также включая зависящее от энергии уширение согласно исх. 11 недостаточно для смещения основной интенсивности к началу нижней части основной полосы, обозначенной пунктирной линией при E F –0,7 эВ. Чтобы включить зависимость перенормировки k , мы описываем \ (\ frak {Re} \) Σ = \ (\ frak {Re} \) Σ σ ( k ) как сглаженная функция, которая зависит только от расстояния от центра БЖ, как показано на рис.3b (см. Методы). Измеренные диски импульсов с разрешенным спином особенно чувствительны к энергетическому положению основных и неосновных спиновых состояний. Таким образом, прямое сравнение с расчетными позволяет проверить перенормировку по всей БЗ. Эффект перенормировки, зависящей от k , показан на рис. 2б, где состояния, близкие к Γ, скорректированы вверх, а энергетическое согласие состояний на границе ЗБ сохраняется. Соответствующая перенормировка массы m * , выраженная сглаживанием полос, является важным признаком электронных корреляций 26 .В частности, идеально воспроизводятся спектральные особенности вдоль направления WXW, такие как основная интенсивность при E F -300 мэВ и слабые неосновные состояния, расходящиеся до E F -2 эВ (сравните пунктирные кривые на рис. Рис. 2а, б). Мы также протестировали эффект чисто локальной обработки корреляций, которая привела бы к описанию собственной энергии, зависящей только от энергии, но не от волнового вектора. В то время как такая собственная энергия имеет вид Σ σ ( E ) = \ (\ frak {Re} \) Σ σ ( E ) + i · ℑ \ (\ frak {m } \) Σ σ ( E ), как использовалось в предыдущей работе, действительно может привести к аналогичным спектрам фотоэмиссии в одной точке k , т.е.е., точка Γ, перенормировка состояний при больших k , т.е. на линии W-X-W, описывается плохо. В диске с постоянной энергией и импульсом состояния также пересекались бы в разных точках k || , что приводит к качественно другим картинам фотоэмиссии, чем наблюдаемые в эксперименте. Следовательно, модель только локальных корреляций не может описывать собственную энергию и, таким образом, перенормировку состояний так же хорошо, как это было найдено для собственной энергии, зависящей от волнового вектора, представленной здесь (см. Дополнительный рис.5 для сравнения). Это согласуется с выводами из исх. 13,14 , где подход DMFT — как локальная теория — не смог воспроизвести правильные энергии полос при всех волновых векторах. Комплексная собственная энергия, как описано выше, является функцией E , k и спина электрона. Этот Σ σ ( E , k ) должен одновременно описывать эффект многочастичного индуцированного уширения и перенормировки времени жизни во всей BZ и для всех энергий E — E F .Чувствительным тестом, если это описание является успешным, является сравнение измеренных двумерных импульсных дисков с разрешением по спину с соответствующими теоретическими 5 . Экспериментальные импульсные диски показаны на рис. 4a – e рядом с результатом расчетов 1SM в широком диапазоне энергий. Мы находим удивительно хорошее совпадение всех характерных особенностей во всем диапазоне энергий и импульсов, подтверждая полную дисперсию собственной энергии Σ σ ( E , k ), включая зависящее от энергии уширение ℑ \ (\ frak {m} \) Σ σ ( E ) и перенормировка, зависящая от волнового вектора \ (\ frak {Re} \) Σ σ ( k ). Карты импульсов фотоэмиссии со спиновым разрешением. a — e Выбранные диски с постоянной энергией и импульсом из эксперимента с разрешением по спину (левая половина каждой панели) для hv = 50 эВ при E F ( a ) до E F -3,0 эВ ( e ). Эти участки также отмечены на рис. 2. Расчетные карты фотоэмиссии при тех же энергиях отображаются в правой половине каждого изображения. В расчетах учтены поправки, зависящие от энергии и импульса для ℑ \ (\ frak {m} \) Σ σ ( E ) и \ (\ frak {Re} \) Σ σ ( к ).Красный и синий цвета соответствуют интенсивностям основного и неосновного электронных состояний, соответственно. Спин-зависимое уширение, которое намного больше для большинства электронов, приводит к количественному согласию теоретического спектра с экспериментом, воспроизводя резкие полосы и FS- контур на E F и начало невыразительного мажоритарного фона спина. В FS-контуре количественно воспроизводятся даже крошечные детали, такие как кольца неосновных состояний вокруг точки X и узор вокруг Γ-точки, по сравнению с экспериментом на рис.1c. Что касается энергетического уширения, то для мажоритарных спиновых состояний перенормировка оказывается намного сильнее, чем для неосновных. Та же модель применима и для волновых векторов с k ⊥ ≠ 0. Чтобы проверить это поведение, мы также сравниваем результаты 1SM с дисками спинового разрешения, измеренными при энергиях фотонов 70 и 85 эВ. Как показано на рис. 1, эти участки не проходят через Γ-точку. Результаты показаны на рис. 5a – d, e – h соответственно.В расчетах 1SM, отображаемых в правой половине каждой панели, используется та же функциональная зависимость для Σ σ ( E , k ), как указано выше. Однако, поскольку соответствующие волновые векторы смещены по оси k ⊥ от Γ-точки, существует минимальное расстояние | k | из Γ даже в центре импульсного диска. Поскольку Σ d ( k ) оценивается в трехмерной (3D) BZ, амплитуда поэтому уменьшается по сравнению с рис.3б при 50 эВ. Аналогичным образом, перемещение к соседней BZ (сравните пунктирные линии на рис. 5a – h) приводит к увеличению значения Σ, поскольку эти волновые векторы имеют k в своих соответствующих BZ. Карты импульса фотоэмиссии с разрешением по спину при hv = 70 эВ и 85 эВ. Выбранные изображения с постоянной энергией из эксперимента с разрешением по спину (левая половина) для hv = 70 эВ ( a — d ) и для hv = 85 эВ ( e — h ).Хотя импульсные диски на этих hv s ( i ) не пересекаются с высокой спектральной плотностью большинства вдоль направлений WXW, здесь также наблюдается заметное увеличение интенсивности основного фона между -0,2 эВ и -0,4 эВ, что указывает на то, что особенно короткое время жизни в большинстве состояний несколько 100 мэВ ниже E F . На рассчитанных фотоэмиссионных картах (правая половина) хорошо воспроизведено положение и уширение особенностей большинства и меньшинства. В расчетах учтены поправки, зависящие от энергии и импульса для ℑ \ (\ frak {m} \) Σ σ ( E ) и \ (\ frak {Re} \) Σ σ ( к ). j Изменение \ (\ frak {Re} \) Σ σ ( k ) как функция от k || при hv = 70 эВ. k То же для hv = 85 эВ Также для импульсных дисков, пересекающих BZ над Γ-точкой, обнаружено превосходное количественное согласие картин фотоэмиссии между экспериментом и 1SM: в частности, рассчитанные фотоэмиссионные картины при в то же время показывают согласие с экспериментом как в центре ( k || ≈ 0), так и во внешних областях импульсных дисков, e.g., в точках L или L ’на рис. 5, подтверждая изменение \ (\ frak {Re} \) Σ по всей трехмерной BZ. Магнетизм металлов и других материалов определяется орбитальным и спиновым движением неспаренных электронов и способом выравнивания неспаренных электронов друг с другом. Все магнитные вещества парамагнитны при достаточно высокой температуре, когда тепловая энергия (kT) превышает энергию взаимодействия между спинами на соседних атомах.Ниже определенной критической температуры вращения могут принимать различные виды упорядоченного расположения. Наглядное описание упорядочения спинов в ферромагнетизме, антиферромагнетизме, ферримагнетизме и парамагнетизме Давайте начнем с рассмотрения отдельного атома в ОЦК-структуре металлического железа. Fe находится в группе VIIIb периодической таблицы, поэтому имеет восемь валентных электронов.Атом продвигается в состояние 4s 1 3d 7 для образования связей. Локализованная картина d-электронов для отдельного атома железа может выглядеть так: Поскольку каждый неспаренный электрон имеет спиновый момент 1/2, полный спиновый угловой момент, S , для этого атома равен: \ (S = 3 \ frac {1} {2} = \ frac {3} {2} \) (в единицах h / 2π) Мы можем представить каждый атом Fe в твердом теле как небольшой стержневой магнит с только спиновым моментом S 3/2.Спиновые моменты соседних атомов могут выстраиваться параллельно (↑ ↑), антипараллельно (↑ ↓) или случайным образом. В ОЦК Fe наблюдается тенденция к параллельному выравниванию из-за положительного знака обменного взаимодействия. Это приводит к упорядочению ферромагнетик , в котором все спины в магнитном домене (обычно сотни элементарных ячеек по ширине) имеют одинаковую ориентацию, как показано на рисунке справа. Напротив, отрицательное обменное взаимодействие между соседними атомами в ОЦК Cr приводит к антиферромагнитному упорядочению .Третье устройство, ферримагнитное упорядочение , является результатом антипараллельного выравнивания спинов на соседних атомах, когда магнитные моменты соседей не равны. В этом случае спиновые моменты не компенсируются и возникает чистая намагниченность. Механизм упорядочения подобен механизму антиферромагнитного твердого тела, но магнитные свойства напоминают свойства ферромагнетика. Ферримагнитное упорядочение наиболее часто встречается в оксидах металлов, как мы узнаем в главе 7. Магнитная восприимчивость , · твердого тела зависит от упорядочения спинов.Парамагнитные, ферромагнитные, антиферромагнитные и ферримагнитные твердые тела имеют χ> 0, но величина их восприимчивости зависит от типа упорядочения и температуры. Мы увидим эти виды магнитного упорядочения в основном среди элементов 3d и 4f , а также их сплавов и соединений. Например, Fe, Co, Ni, Nd 2 Fe 14 B, SmCo 5 и YCo 5 — все ферромагнетики, Cr и MnO — антиферромагнетики, а Fe 3 O 4 и CoFe 2 O 4 — ферримагнетики.Диамагнитные соединения имеют слабую отрицательную восприимчивость (χ <0). Магнитная восприимчивость χ = M / H Обычно χ дается в молярных единицах в системе cgs : χ M = молярная восприимчивость (единицы: см 3 / моль) Типичные значения χ M : Обратите внимание, что C не является «константой» в обычном смысле, потому что она зависит от µ eff , эффективного магнитного момента молекулы или иона, который, в свою очередь, зависит от количества неспаренных электронов: \ [\ mu_ {eff} = \ sqrt {n (n + 2)} \ mu_ {B} \] Закон Кюри парамагнетика. График зависимости 1 / χ от абсолютной температуры представляет собой прямую линию с наклоном 1 / C и нулевой точкой пересечения.{2} \] Эти уравнения связывают молярную восприимчивость, объемную величину, которая может быть измерена с помощью магнитометра, с µ eff , величиной, которая может быть вычислена из числа неспаренных электронов, n. Об этой формуле следует отметить два важных момента: Число неспаренных электронов на атом, определенное из констант Кюри переходных металлов и их сплавов 1: 1. Возвращаясь к изолированному атому Fe с его тремя неспаренными электронами, мы можем измерить константу Кюри для металлического железа (выше температуры его перехода в парамагнитное твердое тело) и сравнить ее с расчетом µ eff .Поскольку n = 3, мы вычисляем: \ [\ mu_ {eff} = \ sqrt {(3) (5)} \ mu_ {B} = 3,87 \ mu_ {B} \] График справа показывает количество неспаренных электронов на атом, рассчитанное на основе измеренных констант Кюри, для магнитных элементов и сплавов 1: 1 в серии 3d. Пик графика составляет 2,4 спина на атом, что немного ниже, чем мы рассчитали для изолированного атома железа. Это отражает тот факт, что существует некоторое спаривание d-электронов, т.е. что они вносят некоторый вклад в связывание в этой части периодической таблицы. Ниже определенной критической температуры спины твердого парамагнитного вещества по порядку и восприимчивости отклоняются от простого закона Кюри. Поскольку упорядочение зависит от короткодействующего обменного взаимодействия, эта критическая температура изменяется в широких пределах. Металлы и сплавы в серии 3d имеют тенденцию иметь высокие критические температуры, потому что атомы напрямую связаны друг с другом и взаимодействие является сильным.Например, Fe и Co имеют критические температуры (также называемые температурой Кюри, T c для ферромагнетиков) 1043 и 1400 K соответственно. Температура Кюри определяется силой магнитного обменного взаимодействия и количеством неспаренных электронов на атом. Количество неспаренных электронов между Fe и Co достигает пиков по мере заполнения d-зоны, и обменное взаимодействие для Co сильнее, чем для Fe. В отличие от ферромагнитных металлов и сплавов, парамагнитные соли ионов переходных металлов обычно имеют критические температуры ниже 1К, потому что магнитные ионы не связаны напрямую друг с другом и, таким образом, их спины очень слабо связаны в твердом состоянии.Например, в сульфате гадолиния парамагнитные ионы Gd 3 + изолированы друг от друга ионами SO 4 2 —. Магнитная восприимчивость в зависимости от температуры (Кельвин) для ферримагнетиков, ферромагнетиков и антиферромагнетиков Выше критической температуры T C , ферромагнитные соединения становятся парамагнитными и подчиняются закону Кюри-Вейсса : \ [\ chi = \ frac {C} {T-T_ {c}} \] Это похоже на закон Кюри, за исключением того, что график зависимости 1 / χ отT сдвигается до положительной точки пересечения T C на оси температуры. Это отражает тот факт, что ферромагнитные материалы (в их парамагнитном состоянии) имеют большую тенденцию к выравниванию своих спинов в магнитном поле, чем обычный парамагнетик, в котором спины не взаимодействуют друг с другом. Ферримагнетики следуют тому же порядку поведения. Типичные графики зависимости χ от T и 1 / χ от T для ферро- / ферримагнетиков показаны вверху и внизу. Графики зависимости 1 / χ отT для ферромагнетиков, ферримагнетиков и антиферромагнетиков. Антиферромагнитные твердые тела также парамагнитны выше критической температуры, которая называется температурой Нееля, T N . Для антиферромагнетиков χ достигает максимума при T N и меньше при более высокой температуре (где парамагнитные спины дополнительно разупорядочиваются под действием тепловой энергии) и при более низкой температуре (где спины объединяются в пары). Обычно антиферромагнетики сохраняют некоторую положительную восприимчивость даже при очень низкой температуре из-за перекоса их парных спинов.Однако максимальное значение χ для антиферромагнетика намного ниже, чем для ферро- или ферримагнетика. Закон Кюри-Вейсса также модифицирован для антиферромагнетика, отражая тенденцию спинов (в парамагнитном состоянии выше T N ) сопротивляться параллельному упорядочению. График зависимости 1 / χ от T пересекает ось температуры при отрицательной температуре -θ, и закон Кюри-Вейсса принимает вид: \ [\ chi = \ frac {C} {T + \ theta} \] Ниже T C спины спонтанно выравниваются в ферро- и ферримагнетиках.Наблюдается сложное поведение намагничивания, которое зависит от истории образца. Например, если ферромагнитный материал охлаждается в отсутствие приложенного магнитного поля, он образует мозаичную структуру магнитных доменов, каждый из которых имеет выровненные внутри спины. Однако соседние домены имеют тенденцию выравниваться противоположным образом, чтобы минимизировать общую энергию системы. Это показано на рисунке слева для магнита Nd-Fe-B. Образец состоит из кристаллических зерен шириной 5-10 мкм, которые легко различить по четким границам на изображении.Внутри каждого зерна есть серия более светлых и темных полос (отображаемых с помощью оптического эффекта Керра), которые представляют собой ферромагнитные домены с противоположной ориентацией. В среднем по всему образцу эти домены имеют случайную ориентацию, поэтому суммарная намагниченность равна нулю. Микрокристаллические зерна в куске Nd 2 Fe 14 B (сплав, используемый в неодимовых магнитах) с магнитными доменами, видимыми с помощью микроскопа Керра.Домены представляют собой светлые и темные полосы, видимые внутри каждого зерна. Когда образец, подобный этому, намагничен (то есть подвергается воздействию сильного магнитного поля), доменные стенки перемещаются и выгодно ориентированные домены растут за счет доменов с противоположной ориентацией. Это преобразование можно увидеть в реальном времени в микроскопе Керра. Доменные стенки обычно имеют ширину в сотни атомов, поэтому движение доменной стенки связано с кооперативным изменением ориентации спина (аналогично «волне» на спортивном стадионе) и представляет собой относительно низкоэнергетический процесс. Движение доменных стенок в зерне кремнистой стали в этом фильме вызывается увеличением внешнего магнитного поля в «нисходящем» направлении и отображается с помощью микроскопа Керра. Белые области — это домены с направленной вверх намагниченностью, темные области, которые в конечном итоге составляют все зерно, — это домены с направленной вниз намагниченностью. Процесс намагничивания перемещает твердое тело из его состояния с наименьшей энергией (случайная ориентация доменов), поэтому намагничивание требует ввода энергии.Когда внешнее магнитное поле снимается, доменные стенки несколько расслабляются, но твердое тело (особенно в случае «жесткого» магнита) может сохранять большую часть своей намагниченности. Если вы когда-либо намагничивали гвоздь или скрепку с помощью постоянного магнита, вы перемещали стенки магнитных доменов внутри ферромагнетика. После этого объект сохраняет «память» о своей намагниченности. Однако отжиг постоянного магнита разрушает намагниченность, возвращая систему в ее самое низкое энергетическое состояние, в котором все магнитные домены нейтрализуют друг друга. Изменение ориентации и увеличение размеров магнитных доменов под действием внешнего магнитного поля. Магнитный гистерезис. Циклирование ферро- или ферримагнетика в магнитном поле приводит к гистерезису намагничивания материала, как показано на рисунке слева. Вначале намагниченность равна нулю, но она начинает быстро расти при приложении магнитного поля.В сильном поле магнитные домены выровнены, и намагниченность называется насыщенной. Когда поле убирается, сохраняется определенная остаточная намагниченность (обозначенная точкой B r на графике), т.е. материал намагничивается. Приложение поля в противоположном направлении начинает ориентировать магнитные домены в другом направлении, и при поле H c (коэрцитивное поле ) намагниченность образца уменьшается до нуля.В конце концов материал достигает насыщения в противоположном направлении, и когда поле снова снимается, он имеет остаточную намагниченность Br, но в противоположном направлении. По мере того как поле продолжает меняться, магнит следует по петле гистерезиса, как показано стрелками. Площадь окрашенной области внутри петли пропорциональна магнитной работе, совершаемой в каждом цикле. Когда поле быстро меняется (например, в сердечнике трансформатора или в циклах чтения-записи магнитного диска), эта работа превращается в тепло. Зависимость намагниченности ферро- или ферримагнетика от приложенного магнитного поля H. Начиная с начала координат, восходящая кривая является начальной кривой намагничивания. Нисходящая кривая после насыщения вместе с нижней кривой доходности образуют основной цикл. Пересечения Hc и Br представляют собой коэрцитивную силу и остаточную намагниченность. Магнитно-резонансная томография или МРТ — это способ получения детальных изображений органов и тканей по всему телу без рентгеновских лучей или «ионизирующего» излучения.Вместо этого МРТ использует мощное магнитное поле, радиоволны, быстро меняющиеся магнитные поля и компьютер для создания изображений, которые показывают, есть ли травма, болезненный процесс или аномальное состояние. Для МРТ пациента помещают внутрь МРТ-системы или сканера — обычно это большое устройство в форме пончика, открытое с обеих сторон. Мощное магнитное поле выравнивает атомные частицы, называемые протонами, которые существуют в тканях тела, содержащих воду. Затем приложенные радиоволны взаимодействуют с этими протонами, создавая сигналы, которые улавливаются приемником в МР-сканере.Сигналы специально характеризуются с помощью быстро меняющихся магнитных полей. С помощью компьютерной обработки изображения поперечных сечений тканей создаются в виде «срезов», которые можно рассматривать в любой ориентации. МРТ не вызывает боли и, что важно, электромагнитные поля не вызывают никаких повреждений тканей. МРТ-система может время от времени издавать громкие постукивания, стуки или другие шумы во время процедуры. Беруши предназначены для предотвращения проблем, которые могут быть связаны с шумом, создаваемым сканером.Вы всегда будете находиться под наблюдением, и вы сможете общаться с технологом МРТ с помощью системы внутренней связи или другими способами. начало страницы МРТ — предпочтительная процедура для диагностики большого количества потенциальных проблем или аномальных состояний, которые могут повлиять на различные части тела. В общем, МРТ создает изображения, которые могут показать различия между здоровыми и нездоровыми или аномальными тканями. Врачи используют МРТ для исследования головного мозга, позвоночника, суставов (например,g., колено, плечо, бедро, запястье и лодыжка), живот, область таза, грудь, кровеносные сосуды, сердце и другие части тела. начало страницы Мощное магнитное поле магнитно-резонансной системы может притягивать предметы, сделанные из определенных металлов (например, металлов, которые считаются ферромагнитными, например, железа), и заставлять их двигаться внезапно и с большой силой. Это может представлять опасность для пациента или любого человека, находящегося на «траектории полета» объекта. Поэтому большое внимание уделяется тому, чтобы внешние предметы, такие как ферромагнитные отвертки и кислородные баллоны, не попали в комнату с системой MR. Как пациент, жизненно важно, чтобы вы удалили все металлические предметы перед обследованием МРТ, включая внешние слуховые аппараты, часы, украшения, сотовые телефоны и предметы одежды с металлическими нитями или застежками. Кроме того, следует удалить макияж, лак для ногтей или другие косметические средства, которые могут содержать металлические частицы, если они наносятся на участок тела, подвергаемый МРТ. Различная одежда, например спортивная одежда (например, штаны для йоги, рубашки и т. Д.)), носки, подтяжки и другие предметы могут содержать металлические нити или антибактериальные составы на металлической основе, которые могут представлять опасность. Эти предметы могут нагреть и обжечь пациента во время МРТ. Поэтому учреждения МРТ обычно требуют, чтобы пациенты снимали все потенциально проблемные предметы одежды перед прохождением МРТ. Мощное магнитное поле системы МРТ притягивает любой ферромагнитный объект в теле пациента или на нем, например, медицинский имплант (например, зажимы для аневризмы, насосы для лекарств и т. Д.)). Поэтому во всех учреждениях МРТ есть комплексные процедуры и протоколы скрининга, которые они используют для выявления любых потенциальных опасностей. При тщательном выполнении эти шаги гарантируют, что технолог МРТ и радиолог знают о наличии любых металлических предметов, чтобы они могли принять необходимые меры предосторожности. В некоторых необычных случаях из-за наличия неприемлемого имплантата или устройства экзамен может быть отменен. Например, МРТ не будет проводиться при наличии зажима для ферромагнитной аневризмы, поскольку существует риск его перемещения и причинения серьезного вреда пациенту.Помимо возможного движения или смещения, некоторые медицинские имплантаты могут значительно нагреваться во время МРТ-исследования из-за радиоволн (то есть радиочастотной энергии), используемых для процедуры. Нагревание, связанное с МРТ, может привести к травме пациента. Поэтому, как пациенту, очень важно проинформировать технолога МРТ о любом имплантате или другом внутреннем или внешнем объекте, который у вас может быть, до того, как вы войдете в комнату со сканером МРТ. Мощное магнитное поле системы МРТ может повредить внешний слуховой аппарат, вызвать сбой в работе кардиостимулятора, электростимулятора или нейростимулятора или вызвать травму.Если в вашем теле находится пуля или любой другой металлический фрагмент, существует потенциальный риск того, что он может изменить положение и, возможно, вызвать травму. Кроме того, металлический имплант или другой объект может вызвать потерю сигнала или изменить МР-изображения, что затруднит правильное отображение изображений для рентгенолога. Это может быть неизбежно, но если рентгенолог знает об этом, можно сделать поправку при получении и интерпретации МРТ изображений. Для некоторых обследований МРТ в вену может быть введен контрастный материал, известный как гадолиниевый контрастный агент, чтобы улучшить информацию, видимую на МРТ-изображениях.В отличие от контрастных материалов, используемых при рентгеновских исследованиях или компьютерной томографии (КТ), контрастный агент гадолиния не содержит йода и, следовательно, редко вызывает аллергическую реакцию или другие проблемы. Однако, если у вас в анамнезе имеется заболевание почек, почечная недостаточность, трансплантация почки, заболевание печени или другие состояния, вы должны сообщить об этом технологу МРТ и / или радиологу перед приемом контрастного вещества гадолиния. Если вы не уверены в наличии этих состояний, обсудите эти вопросы с технологом МРТ или радиологом до обследования МРТ. начало страницы Обычно вы получаете халат, чтобы надеть его во время МРТ-обследования. Перед входом в кабинет MR-системы вам будет задан ряд вопросов (например, с помощью специальной формы проверки), в том числе, есть ли у вас имплантаты или устройства. Далее вас попросят удалить все металлические предметы из карманов и волос, а также металлические украшения. Кроме того, любой человек, который может присутствовать во время МРТ, должен будет удалить все металлические предметы и заполнить форму проверки.Если у вас есть вопросы или опасения, обсудите их с технологом МРТ или радиологом до обследования МРТ. Как указывалось ранее, вас попросят заполнить форму проверки, спрашивая обо всем, что может создать риск для здоровья или помешать проведению МРТ. Предметы, которые могут создать опасность для здоровья или другие проблемы во время МРТ, включают: Важное примечание: Некоторые предметы, включая более новые кардиостимуляторы, ИКД, системы нейростимуляции, кохлеарные имплантаты и насосы для медикаментов, подходят для МРТ.Однако технолог МРТ и радиолог должны точно знать, какой у вас тип, чтобы выполнять специальные процедуры для обеспечения вашей безопасности. Поэтому, пожалуйста, сообщите название устройства и производителя технологу МРТ до обследования МРТ. Предметы, которые пациенты и отдельные лица должны удалить перед входом в комнату системы МРТ, включают: Объекты, которые могут влиять на качество изображения, если они находятся рядом со сканируемой областью, включают: начало страницы МРТ-исследование проводится в специальном помещении, в котором находится МРТ-система или «сканер».»Сотрудник центра МРТ проводит вас в комнату и попросит лечь на стол с удобной мягкой подкладкой, который мягко вводит вас в сканер и выводит из него. Обычно сканер открыт с каждой стороны или по крайней мере с двух сторон. Как правило, при подготовке к МРТ вам необходимо носить беруши или наушники, чтобы защитить свой слух, поскольку многие процедуры сканирования производят громкие звуки. Эти громкие звуки нормальны и не должны вас беспокоить. При некоторых исследованиях МРТ в вену может вводиться контрастное вещество, называемое гадолинием, чтобы помочь получить более четкое изображение исследуемой области.Как правило, в начале процедуры визуализации медсестра или технолог МРТ вводит внутривенную линию в вашу руку или вену кисти с помощью небольшой иглы. Это позволит ввести гадолиниевый контрастный агент во время МРТ. Линия будет подключена к физиологическому раствору, который будет капать через внутривенную линию для предотвращения свертывания крови до тех пор, пока в какой-то момент во время исследования не будет введен фактический контрастный агент. Иногда контрастное вещество вводится с помощью автоматического устройства, а иногда технологу или медсестре необходимо войти в комнату, чтобы ввести контрастное вещество.Для этого им, возможно, даже придется выдвинуть стол из сканера. Самое важное, что нужно сделать пациенту, — это лежать спокойно и расслабиться. Большинство обследований МРТ занимает от 15 до 45 минут в зависимости от визуализируемой части тела и количества необходимых снимков, хотя некоторые обследования могут длиться до 60 минут или дольше. Вам заранее сообщат, сколько времени займет сканирование. Вас попросят оставаться совершенно неподвижным во время съемки, но между последовательностями может быть разрешено небольшое движение.Соответственно, вас проконсультирует технолог МРТ. Когда начинается МРТ, вы можете нормально дышать. Однако для некоторых обследований вам может потребоваться задержать дыхание на короткое время. Во время МРТ-обследования оператор МРТ-системы сможет разговаривать с вами, слышать вас и наблюдать за вами в любое время. Если у вас есть вопросы или вы чувствуете что-то необычное, обратитесь к оператору МРТ-сканера. По окончании МРТ вас могут попросить подождать, пока изображения будут исследованы, чтобы определить, нужны ли дополнительные изображения.После экзамена у вас нет ограничений, и вы можете заниматься своими обычными делами. После завершения всего МРТ-исследования изображения будут просмотрены радиологом, врачом, специально обученным интерпретировать изображения, используемые в диагностических целях. Радиолог сообщит вашему врачу результаты МРТ. начало страницы Некоторые пациенты, проходящие МРТ, могут чувствовать себя скованными, замкнутыми или напуганными.Возможно, одному из двадцати человек может потребоваться легкое успокаивающее средство, чтобы сохранять спокойствие. Некоторые центры МРТ разрешают родственнику или другу находиться в комнате с системой МРТ, что также оказывает успокаивающее действие на пациента. Если пациенты правильно подготовлены и знают, чего ожидать, почти всегда можно пройти обследование. начало страницы Если вы беременны или подозреваете, что беременны, вам следует сообщить об этом технологу МРТ и / или радиологу во время проводимой процедуры скрининга и до обследования МРТ.В целом, риск использования МРТ у беременных неизвестен. Однако МРТ предназначена для использования у беременных только для решения очень важных проблем или предполагаемых отклонений. В любом случае МРТ безопаснее для плода, чем визуализация с помощью рентгеновских лучей или компьютерной томографии (КТ). Для получения дополнительной информации см. МРТ во время беременности. начало страницы Вам следует сообщить в клинику МРТ, что вы кормите грудью, при назначении МРТ-обследования.Это особенно важно, если вы получаете и контрастное вещество для МРТ. Одним из вариантов в этом случае является сцеживание грудного молока перед исследованием МРТ, которое можно использовать для кормления младенца до тех пор, пока контрастное вещество не будет выведено из организма. Обычно контрастному веществу требуется около 24 часов, чтобы очистить тело. Клиника или рентгенолог предоставят вам дополнительную информацию по этому поводу. начало страницы Информация о безопасности при МРТ на этой странице была разработана в сотрудничестве с Институтом магнитно-резонансной безопасности, образования и исследований ( www.imrser.org ) и соответствующий контент, полученный с сайта www.MRIsafety.com . Для получения более подробной информации о безопасности при МРТ посетите www.MRIsafety.com , где представлена актуальная и важная информация о безопасности при МРТ, особенно для обследования пациентов с имплантатами и медицинскими устройствами. начало страницы Эта страница была просмотрена 30 июля 2021 г. Доступность данных
Выражение признательности
Сноски
Нелокальные электронные корреляции в коллективизированном ферромагнетике
Электронные состояния кобальта с разрешением по спину
Комплексная собственная энергия квазичастичных состояний
Дисперсия собственной энергии в полном BZ
6.8: Ферро-, ферри- и антиферромагнетизм
Намагниченность и восприимчивость
Определения
Соединение Тип магнетизма χ при 300 К (см 3 / моль) SiO 2 Диамагнитный — 3 x 10 -4 Металл Pt Паули парамагнитный + 2 х 10 -4 Gd 2 (SO 4 ) 3 .{2} _ {eff} \] Восприимчивость ферро-, ферри- и антиферромагнетиков
Заказ спинов ниже Т
С Безопасность магнитно-резонансной томографии (МРТ)
Что такое МРТ и как оно работает?
Для чего используется МРТ?
Насколько безопасно МРТ?
Как мне подготовиться к МРТ?
Пример исследования МРТ
Вопрос о тревоге или клаустрофобии
Беременность и МРТ
Кормление грудью и МРТ
Дополнительная информация и ресурсы