Den superparamagnetisme er en oppførselen til materialene som ferromagnetiske eller ferrimagnetiske dimensjoner korn nanoskala . Den magnetiseringen av disse korn kan spontant reversere under påvirkning av temperatur . Gjennomsnittstiden mellom to reverseringer kalles Néel avslapningstid . I fravær av et påført magnetfelt , hvis målingstiden for kornmagnetisering er mye større enn Néel-avslapningstiden, er den målte magnetiseringen null. De sies å være i en superparamagnetisk tilstand. I denne tilstanden kan et eksternt magnetfelt magnetisere kornene, som i et paramagnetisk materiale . Den magnetiske følsomheten til superparamagnetiske korn er imidlertid mye større enn for paramagnetiske materialer .
Når dimensjonene til en partikkel når nanometerskalaen , blir effekten av temperatur og tid på øyeblikket av partikkelen avgjørende. Louis Néel avduket disse effektene. Denne oppdagelsen førte ham til de veldig viktige forestillingene om superparamagnetisme og blokkering av temperatur. Uttrykket av avslapningstiden som en funksjon av det anvendte feltet, gitt av Néel i 1949, er kjent under navnet Néel-Browns lov. Til tross for dens betydning og eksperimentene som er utført de siste femti årene, kunne denne loven bare bekreftes veldig nylig.
I prinsippet gjennomgår ethvert ferromagnetisk eller ferrimagnetisk materiale en overgang til en paramagnetisk tilstand over Curie-temperaturen . Superparamagnetisme forekommer under materialets Curie-temperatur, mens materialet er i ferromagnetisk tilstand . Superparamagnetisme er knyttet til korn som er mono-domener, det vil si sammensatt av et enkelt magnetisk domene . Størrelsen under hvilken magnetiske korn sies å være monodomain, avhenger av materialet. Det er i størrelsesorden ti / hundre nanometer. Under disse forholdene kan vi vurdere at magnetiseringen av kornet faktisk er et enkelt gigantisk magnetisk øyeblikk, summen av alle de magnetiske momentene som bæres av kornet. Vi snakker om "macro-spin approximation".
På grunn av den magnetiske anisotropien til kornene har magnetmomentet generelt to stabile retninger. De er antiparallelle mot hverandre og skilt av en energibarriere. Disse stabile retningene kalles "lette magnetiseringsakser" for kornet. Ved en gitt temperatur er det en ikke-null sannsynlighet for at magnetiseringen av kornet (dvs. makro-spinn) er fullstendig reversert (rotasjon av ). Gjennomsnittstiden mellom to reverseringer kalles Néel avslapningstid og er gitt av følgende Arrhenius- ligning :
eller:
Det er et spørsmål her om å utvikle den generelle filosofien om demonstrasjonen av Arhenius-loven. For å kjenne den presise og komplette demonstrasjonen, vil leseren være i stand til å referere til verk dedikert til dette målet [JL Dormann, “The phenomen of superparamagnetism” . Til å begynne med vurderer vi et system med N-partikler der P-partikler har sitt magnetiske moment orientert i retning (Oz) og NP-partikler med motsatt magnetisk moment, nemlig - (Oz).
I løpet av et tidsintervall dt har et visst antall (betegnet L på forrige bilde) partikler sitt magnetiske øyeblikk som er reversert. Dermed er ligningen av tidsvariasjon av antall partikler hvis magnetiseringsorientering er orientert i henhold til (Oz):
Med hvilken er varigheten av reverseringen av magnetiseringen av partikkelen. Det avhenger derfor av antall partikler hvis magnetiske øyeblikk er reversert i løpet av dette tidsforløpet. Som det fremgår av animasjonen, reversering av magnetiseringen av et korn etter en tid τ , skjer denne reverseringen ikke uten å krysse en energibarriere. Det er derfor viktig at energien tilføres partikkelen slik at magnetiseringen blir reversert. Denne energien er den termiske energien i nettverket som finnes i begrepet , og dette uttrykket tilsvarer gjennomsnittet av kreftene (eller parene) som gjør det mulig å orientere magnetiseringen av partikkelen langs aksen (Oz). Ved å gjøre analogien med et gyroskopisk system er uttrykket :
Med:
Det første begrepet kan omformuleres med en konstant, det vil si:
Denne avslapningstiden kan variere fra noen få nanosekunder til flere år (eller enda mer). Spesielt kan man se at det varierer eksponentielt med volumet av kornet, noe som forklarer hvorfor denne sannsynligheten for hopp er ubetydelig for faste materialer eller de som inneholder store korn.
Anta at vi måler magnetiseringen av et enkelt superparamagnetisk korn og kaller tiden det tar for denne målingen. Hvis >> , blir magnetiseringen av kornet reversert mange ganger under målingen. Den målte magnetiseringen ser ut til å være null. Hvis << , vil magnetiseringen ikke snu under målingen. Den målte magnetiseringen er det magnetiske momentet som bæres av kornet. I det første tilfellet vil kornet sies å være i en superparamagnetisk tilstand og i det andre i ferromagnetisk tilstand , eller blokkert. Partikkelens tilstand for observatøren (superparamagnetisk eller ferromagnetisk) avhenger derfor av måletiden . En overgang mellom superparamagnetisk tilstand og ferromagnetisk tilstand finner sted når = . I mange eksperimenter er målingstiden for magnetisering konstant, men temperaturen varierer, slik at den ferromagnetiske-superparamagnetiske overgangen observeres ved en viss temperatur. Temperaturen som = kalles blokkeringstemperatur for fordi magnetiseringen av kornet, under denne temperaturen, blir sett på som "blokkert" på målingstidsskalaen.
I en samling av N-korn har anvendelsen av et eksternt magnetfelt en tendens til å få de superparamagnetiske kornene til å rette seg langs feltet. Magnetiseringskurven til enheten er en økende reversibel funksjon med formen "S". Denne funksjonen er generelt komplisert, bortsett fra i to tilfeller:
I ligningene ovenfor:
Hellingen ved funksjonens opprinnelse er kornenes magnetiske følsomhet :
i det første tilfellet i det andre tilfellet.Denne følsomheten er også gyldig for temperaturer over blokkeringstemperaturen hvis de enkle aksene til nanopartikkelen er orientert tilfeldig.
Det kan sees fra dette uttrykket at de største kornene, derfor bærer en stor µ , har høyere følsomhet. Dette forklarer hvorfor superparamagnetiske korn har høyere følsomhet enn vanlige paramagnetiske materialer: de oppfører seg akkurat som gigantiske paramagnetiske øyeblikk.
Det er ingen tidsavhengighet av magnetiseringen hvis nanopartiklene enten er helt blokkert ( ) eller helt superparamagnetiske ( ). Imidlertid er det en tett ramme rundt , hvor måletiden og avslapningstiden har sammenlignbare verdier. I dette tilfellet er det frekvensavhengighet av følsomheten . For et tilfeldig orientert utvalg skrives den komplekse følsomheten:
eller
Fra denne frekvensavhengige følsomheten kan vi utlede tidsavhengigheten av magnetiseringen for svake magnetfelt:
ZFC / FC eksperimentet gjør det mulig å bestemme den såkalte blokkeringstemperaturen som målingstiden tilsvarer vippetiden til det magnetiske øyeblikket til materialet hvis magnetisering måles . I praksis tilsvarer temperaturen maksimum ZFC-kurven til magnetiserings- / magnetfeltkarakteristikken .
ZFC / FC-fenomenet er synlig fra det øyeblikket en prøve håndteres. superparamagnetisk ved , ved null magnetfelt . Av arten av prøven er dens makroskopiske magnetisering således null. Opplevelsen er basert på:
Feltet der superparamagnetisme har de sterkeste teknologiske implikasjonene, er magnetisk opptak. På magnetiske harddisker (2000-tallet) lagres hver bit i et sett med ferromagnetiske korn . En 1 bit koder en opp-magnetisering mens en 0-bit koder en ned- magnetisering . Hvis kornene har for lav avslapningstid for Néel, blir informasjonen slettet av seg selv etter en viss tid. Harddiskprodusenter anser at Néels kornavslappingstid for harddisker er over 10 år. Når vi tar hensyn til formen på Néel-avslapningstidsligningen, og tar i betraktning det faktum at produsentene søker å fortette informasjonen så mye som mulig (og derfor redusere volumet V på kornene), gjenstår det bare 'bare ett alternativ å fortsette å fortettes lagring av informasjon: å øke K den magnetiske anisotropi av korn. Dette er en av de konstante utfordringene med forskning og utvikling innen dette feltet.
Superparamagnetiske korn eller nanopartikler i et løsningsmiddel utgjør en ferrofluid , en magnetisk væske som har mange industrielle, biomedisinske og rekreasjonsmessige anvendelser.
En Néel-effektstrømsensor gjør det mulig å utnytte de superparamagnetiske egenskapene til et nanostrukturert komposittmateriale for å måle en direkte eller vekselstrøm. Den Neel effekt vises, i virkeligheten, når en superparamagnetisk materiale plassert inne i en ledende spole utsettes for magnetiske felt av forskjellige frekvenser . Ikke-lineariteten til det superparamagnetiske materialet fungerer som en frekvensblander . Den spenning målt ved klemmene på spolen omfatter da flere frekvenskomponenter, ikke bare ved de opprinnelige frekvenser, men også ved noen av sine lineære kombinasjoner. Dermed gjør frekvensoverføringen av feltet som skal måles det mulig å oppdage et felt produsert av en likestrøm med en enkelt spole.