Superparamagnetismus ist eine Form des Magnetismus, der im kleinen eisenmagnetisch oder ferrimagnetic nanoparticles erscheint. In genug kleinem nanoparticles kann Magnetisierung Richtung unter dem Einfluss der Temperatur zufällig schnipsen. Die typische Zeit zwischen zwei Flips wird die Entspannungszeit von Néel genannt. Ohne magnetisches Außenfeld, wenn die Zeit, die verwendet ist, um die Magnetisierung des nanoparticles zu messen, viel länger ist als die Entspannungszeit von Néel, scheint ihre Magnetisierung, in der durchschnittlichen Null zu sein: Wie man sagt, sind sie im Superparamagnetic-Staat. In diesem Staat ist ein magnetisches Außenfeld im Stande, den nanoparticles ähnlich zu einem Paramagnet zu magnetisieren. Jedoch ist ihre magnetische Empfänglichkeit viel größer als derjenige von Paramagneten.

Die Néel Entspannung ohne magnetisches Feld

Normalerweise erlebt jedes eisenmagnetische oder ferrimagnetic Material einen Übergang zu einem paramagnetischen Staat über seiner Temperatur von Curie. Superparamagnetismus ist von diesem Standardübergang verschieden, da es unter der Temperatur von Curie des Materials vorkommt.

Superparamagnetismus kommt in nanoparticles vor, die einzelnes Gebiet, d. h. zusammengesetzt aus einem einzelnen magnetischen Gebiet sind. Das ist möglich, wenn ihr Diameter unter 3-50 nm abhängig von den Materialien ist. In dieser Bedingung wird es betrachtet, dass die Magnetisierung des nanoparticles ein einzelner riesiger magnetischer Moment, Summe aller individuellen magnetischen durch die Atome des nanoparticle getragenen Momente ist. Das ist, was Leute, die im Feld des Superparamagnetismus arbeiten, die "Makrodrehungsannäherung" nennen.

Wegen des magnetischen anisotropy des nanoparticle hat der magnetische Moment gewöhnlich nur zwei stabile Orientierungsantiparallele zu einander, der durch eine Energiebarriere getrennt ist. Die stabilen Orientierungen definieren die so genannte "leichte Achse des nanoparticle". Bei der begrenzten Temperatur gibt es eine begrenzte Wahrscheinlichkeit für die Magnetisierung, um seine Richtung zu schnipsen und umzukehren. Die mittlere Zeit zwischen zwei Flips wird die Entspannungszeit von Néel genannt und wird durch die folgende Néel-Arrhenius Gleichung gegeben:

:

wo:

• ist so die durchschnittliche Zeitdauer, die man für die Magnetisierung des nanoparticle braucht, um infolge Thermalschwankungen zufällig zu schnipsen.
• ist eine Zeitdauer, Eigenschaft des Materials, hat die Versuch-Zeit genannt, oder Versuch-Periode (wird sein Gegenstück die Versuch-Frequenz genannt); sein typischer Wert ist 10-10 Sekunde.
• K ist die magnetische anisotropy Energiedichte des nanoparticle und V sein Volumen. KV ist deshalb die Energiebarriere, die mit der Magnetisierung vereinigt ist, die sich von seiner anfänglichen leichten Achse-Richtung, durch ein "hartes Flugzeug" zur anderen leichten Achse-Richtung bewegt.
• k ist der unveränderliche Boltzmann.
• T ist die Temperatur.

Diese Zeitdauer kann überall von ein paar Nanosekunden bis zu den Jahren oder viel länger sein. Insbesondere es kann gesehen werden, dass die Entspannungszeit von Néel eine Exponentialfunktion des Korn-Volumens ist, das erklärt, warum die schnipsende Wahrscheinlichkeit schnell unwesentlich für Schüttgüter oder großen nanoparticles wird.

Das Blockieren der Temperatur

Lassen Sie uns uns vorstellen, dass die Magnetisierung eines einzelnen superparamagnetic nanoparticle gemessen wird und lassen Sie uns als die Maß-Zeit definieren. Wenn die nanoparticle Magnetisierung mehrere Male während des Maßes schnipsen wird, dann wird die gemessene Magnetisierung zur Null im Durchschnitt betragen. Wenn die Magnetisierung während des Maßes nicht schnipsen wird, so wird die gemessene Magnetisierung sein, was die sofortige Magnetisierung am Anfang des Maßes war. Im ehemaligen Fall wird der nanoparticle scheinen, im Superparamagnetic-Staat zu sein, wohingegen im letzten Fall es scheinen wird, in seinem anfänglichen Staat "blockiert" zu werden. Der Staat des nanoparticle (superparamagnetic oder blockiert) hängt von der Maß-Zeit ab. Ein Übergang zwischen Superparamagnetismus und blockiertem Staat kommt wenn vor. In mehreren Experimenten wird die Maß-Zeit unveränderlich behalten, aber die Temperatur wird geändert, so hat der Übergang zwischen dem Superparamagnetismus und blockiert, wird Staat als eine Funktion der Temperatur gesehen. Die Temperatur, nach der die blockierende Temperatur genannt wird:

:

Für typische Labormaße ist der Wert des Logarithmus in der vorherigen Gleichung in der Ordnung 20-25.

Wirkung eines magnetischen Feldes

Wenn ein magnetisches Außenfeld auf einen Zusammenbau von superparamagnetic nanoparticles angewandt wird, neigen ihre magnetischen Momente dazu, sich entlang dem angewandten Feld auszurichten, zu einer Nettomagnetisierung führend. Die Magnetisierungskurve des Zusammenbaues, d. h. die Magnetisierung als eine Funktion des angewandten Feldes, ist ein umkehrbarer S-shaped, der Funktion vergrößert. Diese Funktion wird ganz kompliziert, aber für einige einfache Fälle:

1. Wenn alle Partikeln identisch sind (dieselbe Energiebarriere und derselbe magnetische Moment), werden ihre leichten Äxte alle orientiert die Parallele zum angewandten Feld und der Temperatur ist niedrig genug (T < T  KV/ (10 k)), dann ist die Magnetisierung des Zusammenbaues.
2. Wenn alle Partikeln identisch sind und die Temperatur (T  KV/k), dann ohne Rücksicht auf die Orientierungen der leichten Äxte hoch genug ist:

In den obengenannten Gleichungen:

• n in der Dichte von nanoparticles in der Probe

• ist die magnetische Durchdringbarkeit des Vakuums

• ist der magnetische Moment eines nanoparticle

• ist die Funktion von Langevin

Der anfängliche Hang der Funktion ist die magnetische Empfänglichkeit der Probe:

: im ersten Fall

: im zweiten Fall.

Die spätere Empfänglichkeit ist auch für alle Temperaturen gültig, wenn die leichten Äxte des nanoparticles zufällig orientiert werden.

Es kann von diesen Gleichungen gesehen werden, dass große nanoparticles einen größeren µ und so eine größere Empfänglichkeit haben. Das erklärt, warum superparamagnetic nanoparticles eine viel größere Empfänglichkeit haben als Standardparamagnete: Sie benehmen sich genau als ein Paramagnet mit einem riesigen magnetischen Moment.

Zeitabhängigkeit der Magnetisierung

Es gibt keine Zeitabhängigkeit der Magnetisierung, wenn die nanoparticles entweder oder völlig superparamagnetic völlig blockiert werden. Es, gibt jedoch, ein schmales Fenster ringsherum, wo die Maß-Zeit und die Entspannungszeit vergleichbaren Umfang haben. In diesem Fall kann eine Frequenzabhängigkeit der Empfänglichkeit beobachtet werden. Für eine zufällig orientierte Probe ist die komplizierte Empfänglichkeit:

:wo

• ist die Frequenz des angewandten Feldes

• ist die Empfänglichkeit im superparamagnetic setzen fest

• ist die Empfänglichkeit im blockierten Staat

• ist die Entspannungszeit des Zusammenbaues

Von dieser frequenzabhängigen Empfänglichkeit kann die Zeitabhängigkeit der Magnetisierung für niedrige Felder abgeleitet werden:

:

Maße

Ein superparamagnetic System kann mit AC Empfänglichkeitsmaßen gemessen werden, wo sich ein angewandtes magnetisches Feld rechtzeitig ändert, und die magnetische Antwort des Systems gemessen wird. Ein superparamagnetic System wird eine charakteristische Frequenzabhängigkeit zeigen: Wenn die Frequenz viel höher ist als 1/τ, wird es eine verschiedene magnetische Antwort geben als, wenn die Frequenz viel niedriger ist als 1/τ, da im letzten Fall, aber nicht dem ersteren, die eisenmagnetischen Trauben Zeit haben werden, um auf das Feld durch das Schnipsen ihrer Magnetisierung zu antworten. Die genaue Abhängigkeit kann von der Néel-Arrhenius Gleichung berechnet werden, annehmend, dass sich die benachbarten Trauben unabhängig von einander benehmen (wenn Trauben aufeinander wirken, wird ihr Verhalten mehr kompliziert).

Wirkung auf Festplatten

Superparamagnetismus legt eine Grenze zwischen der Speicherdichte von Festplatte-Laufwerken wegen der minimalen Größe von Partikeln fest, die verwendet werden können. Diese Grenze ist als die Superparamagnetic-Grenze bekannt.

• Ältere Festplatte-Technologie verwendet Längsaufnahme. Es hat eine geschätzte Grenze von 100 bis 200 Gbit/in²
• Aktuelle Festplatte-Technologie verwendet Vertikalaufzeichnung. Laufwerke mit Dichten von 667Gb/in sind gewerblich verfügbar. Vertikalaufzeichnung wird vorausgesagt, um Informationsdichten bis zu ungefähr 1 Tbit/in ² (1024 Gbit/in ²) zu erlauben.
• Zukünftige Festplatte-Technologien zurzeit in der Entwicklung schließen ein: Hitzegeholfene magnetische Aufnahme (HAMR), die Materialien verwenden, die an viel kleineren Größen stabil sind. Aber sie verlangen Heizung, bevor die magnetische Orientierung von wenig geändert werden kann; und Bit-gemusterte Aufnahme (BPR).

Anwendungen des Superparamagnetismus

Allgemeine Anwendungen

• Eisenflüssigkeit: stimmbare Viskosität
• Datenanalyse: Superparamagnetic, der (SPC) und seine Erweiterung globaler SPC (gSPC) bündelt

Biomedizinische Anwendungen

• Bildaufbereitung: Stellen Sie Agenten in Magnetic Resonance Imaging (MRI) gegenüber
• Magnetische Trennung: Zelle - DNA - Protein - Trennung, RNS, die angelt
• Behandlungen: ins Visier genommene Rauschgift-Übergabe, magnetischer hyperthermia, magnetofection

Siehe auch

• Magnet des einzelnen Moleküls
• Eisenoxid nanoparticles
• Eine englische Übersetzung ist in verfügbar

Links

• Superparamagnetismus von Co-Ferrite Nanoparticles
• Präsentation von Powerpoint auf dem Superparamagnetismus in pdf