Superparamagnetisme er en form for magnetisme som oppstår i ferromagnetiske og ferrimagnetiske nanopartikler med lite nok volum og høy nok temperatur. Superparamagnetisme består i at magnetiseringen til en slik nanopartikkel spontant kan bytte retning på grunn av termisk energi.
Fenomenet har relevans innenfor lagring av digitale data i for eksempel datamaskiner.
Harddisker lagrer data via magnetiske domener fordelt over diskoverflaten. Hvert domene i en harddisk har en magnetiseringsretning som peker i én av to mulige retninger, slik at domenet lagrer en bit, og hele harddisken lagrer data binært.
Hvert domene kan bestå av magnetiske partikler pekende i samme retning. Summen av partiklenes magnetiseringer i et domene utgjør domenets totale magnetisering. En utfordring som forekommer fra å senke domenestørrelsene, for å øke lagringstettheten, er at domenepartiklenes volumer må nedskaleres. Ved små nok volum kan superparamagnetiske effekter gjøre at partiklene endrer magnetmomentet. Dette kan i verste fall endre hele domenets magnetisering og føre til en endring av lagret data.
En magnetisk partikkel er i en superparamagnetisk tilstand hvis dens gjennomsnittlige magnetiske moment over en måleperiode er null ved fravær av ytre magnetfelt. Den målte gjennomsnittsverdien er derimot ikke null etter korte måleperioder, så måleperiodens varighet påvirker om partikler måles til å være superparamagnetiske.
I forklaringen av fenomenet nedenfor henviser «magnetisme» til enten ferro- eller ferrimagnetisme, og ikke til antiferromagnetisme, fordi antiferromagnetiske materialer ikke opplever superparamagnetisme.
For magnetiske nanopartikler vil det være energigunstig for alle partikkelens atomer å ha magnetmoment pekende i samme retning. Atomenes individuelle magnetmoment gjør at partikkelens totale magnetmoment, µ, kan uttrykkes som: \[\mu = N \mu_\text{atom}\]
hvor N er antall atomer partikkelen består av og µatom er ett atoms magnetmoment. Magnetiske moment er generelt vektorer.
En magnetisk nanopartikkel beskrevet ovenfor kan ha en retning i rommet, en såkalt akse, hvor partikkelen har lavest energi hvis det magnetiske momentet peker parallelt med aksen. Denne aksen kalles for lettaksen. Dersom partikkelens magnetmoment peker parallelt med denne aksen, kreves det energi for at partikkelens magnetmoment skal endres til å peke i motsatt retning.
Ved fravær av et ytre magnetfelt kan energien E til partikkelen som følge av magnetmomentets orientering beskrives med formelen \[E = KV \sin^2(\theta)\]
Det er antatt at nullnivået for denne energien er den energien partikkelen har når magnetmomentet er parallelt med lettaksen. K er en konstant som beskriver hvor energigunstig det er for partikkelen å ha et magnetisk moment langs lettaksen, V er partikkelens volum og θ er vinkelen mellom partikkelens magnetmoment og lettaksen.
Energibarrieren, Emax, som skal til for å endre partikkelens magnetmoment til å peke i motsatt retning, er gitt ved \[ E_\text{max}=KV\]
Energibarrieren påvirker den gjennomsnittlige tiden partikkelen bruker på å forandre magnetmoment til motsatt retning. Denne tiden, kalt relaksasjonstiden, er representert ved 𝜏 og er gitt av likningen \[\tau = \tau_0 \exp\{E_\text{max}/k_BT\} \]
Her er T temperaturen til partikkelen, exp er eksponentialfunksjonen, kB er Boltzmanns konstant, og 𝜏0 er gjennomsnittstiden mellom hver gang partikkelen prøver å flippe magnetmomentet sitt.
𝜏0 kalles for forsøkstiden. Denne tiden har en eksperimentell målbar verdi som typisk ligger mellom 0.1 og 1 nanosekunder.
Ut fra formelen ser man at relaksasjonstiden øker med større volum og avtar med høyere temperatur.
Om magnetiske partikler er i superparamagnetisk tilstand eller ikke, bestemmes av i hvor lang tid man måler deres magnetmoment, og om målingen skjer ved fravær av ytre magnetfelt.
Dersom partiklenes målte relaksasjonstid er mye mindre enn måleperioden, betyr det at magnetmomentet har endret retning mange ganger over måleperioden, så det gjennomsnittlige målte magnetmomentet er null. Da er partiklene i superparamagnetisk tilstand.
Dersom måleperioden er mye kortere enn partiklenes relaksasjonstid, er det gjennomsnittlige målte magnetmomentet ikke lik null, så partiklene er ikke i superparamagnetisk tilstand.
Kommentarer
Kommentarer til artikkelen blir synlig for alle. Ikke skriv inn sensitive opplysninger, for eksempel helseopplysninger. Fagansvarlig eller redaktør svarer når de kan. Det kan ta tid før du får svar.
Du må være logget inn for å kommentere.