المغناطيسية الفائقة

فيزياء المادة المكثفة
المراحل مرحلة الانتقال جودة عالية
حالات المادة صلب سائل الغاز بلازما تكاثف بوز-أينشتاين غاز بوز مكثف فرميوني غاز فيرمي سائل فيرمي مادة صلبة للغاية السيولة الفائقة سائل لوتينجر بلورة الزمن
ظواهر الطور معلمة الطلب مرحلة الانتقال جودة عالية
المراحل الالكترونية بنية النطاق الإلكتروني بلازما عازل عازل موت أشباه الموصلات شبه معدني موصل موصل فائق حرارية كهربائية كهرضغطية المواد الكهروضوئية العازل الطوبولوجي أشباه الموصلات بدون فجوات دورانية
الظواهر الالكترونية تأثير هول الكمي تأثير دوران القاعة تأثير كوندو
المراحل المغناطيسية المغناطيس مغناطيس فائق المغناطيس مغناطيس فائق البارامغناطيس الحديدي مضاد المغناطيس الحديدي زجاج دوار
شبه الجسيمات الفونون إكسيتون بلازمون بولاريتون بولارون ماجنون روتون
مادة ناعمة مادة صلبة غير متبلورة مادة غروانية مادة حبيبية الكريستال السائل البوليمر
العلماء فان دير فالز أونيس فون لاوي براج ديباي بلوخ أونسيجر موت بييرلز لاندو لوتينجر أندرسون فان فليك هوبارد شوكلي باردين كوبر شريفر جوزيفسون لويس نيل إساكي جيايفر كوهن كادانوف فيشر ويلسون من كليتزينج بينيج روهرر بيدنورز مولر لافلين ستورمر يانغ تسوي أبريكوسوف جينزبورج ليجيت باريسي ويتيرتش بيرديو
بوابة الفيزياء  فئة
ف ت هـ

المغناطيسية الفائقة هي شكل من أشكال المغناطيسية التي تظهر في الجسيمات النانوية الصغيرة المغناطيسية الحديدية أو المغناطيسية الحديدية . في الجسيمات النانوية الصغيرة بدرجة كافية، يمكن للمغناطيسية أن تنقلب بشكل عشوائي تحت تأثير درجة الحرارة. يُطلق على الوقت النموذجي بين الانقلابين وقت استرخاء نيل . في حالة عدم وجود مجال مغناطيسي خارجي، عندما يكون الوقت المستخدم لقياس مغناطيسية الجسيمات النانوية أطول بكثير من وقت استرخاء نيل، يبدو أن مغناطيسيتها تساوي صفرًا في المتوسط؛ ويقال إنها في حالة مغناطيسية فائقة. في هذه الحالة، يكون المجال المغناطيسي الخارجي قادرًا على مغناطيسية الجسيمات النانوية، على غرار المغناطيس البارامغناطيسي . ومع ذلك، فإن قابليتها المغناطيسية أكبر بكثير من قابلية المغناطيس البارامغناطيسي.

عادةً ما تخضع أي مادة مغناطيسية حديدية أو مغناطيسية حديدية لانتقال إلى حالة مغناطيسية بارامغناطيسية أعلى من درجة حرارة كوري الخاصة بها . تختلف المغناطيسية الفائقة عن هذا الانتقال القياسي لأنها تحدث تحت درجة حرارة كوري للمادة.

تحدث المغناطيسية الفائقة في الجسيمات النانوية ذات المجال الواحد ، أي التي تتكون من مجال مغناطيسي واحد . وهذا ممكن عندما يكون قطرها أقل من 3-50 نانومتر، اعتمادًا على المواد. في هذه الحالة، يُعتبر أن مغناطيسية الجسيمات النانوية هي عزم مغناطيسي عملاق واحد، مجموع كل العزوم المغناطيسية الفردية التي تحملها ذرات الجسيم النانوي. يطلق العاملون في مجال المغناطيسية الفائقة على هذا "تقريب الدوران الكلي".

بسبب التباين المغناطيسي للجسيم النانوي ، فإن العزم المغناطيسي عادة ما يكون له اتجاهان مستقران فقط متعاكسان لبعضهما البعض، ويفصل بينهما حاجز طاقة . تحدد الاتجاهات المستقرة ما يسمى "المحور السهل" للجسيم النانوي. عند درجة حرارة محدودة، هناك احتمال محدود لقلب المغناطيسية وعكس اتجاهها. يُطلق على متوسط ​​الوقت بين الانقلابين وقت استرخاء نيل ويُعطى بواسطة معادلة نيل-أرينيوس التالية: ^[1]${\displaystyle \tau _{\text{N}}}$

${\displaystyle \tau _{\text{N}}=\tau _{0}\exp \left({\frac {KV}{k_{\text{B}}T}}\right)}$,

أين:

• ${\displaystyle \tau _{\text{N}}}$وبالتالي فإن متوسط ​​طول الوقت الذي يستغرقه مغناطيسية الجسيمات النانوية حتى تنقلب عشوائيًا نتيجة للتقلبات الحرارية .
• ${\displaystyle \tau _{0}}$هي مدة زمنية مميزة للمادة تسمى زمن المحاولة أو فترة المحاولة (يسمى مقلوبها تردد المحاولة )؛ وتتراوح قيمتها النموذجية بين 10 ⁻⁹ و10 ⁻¹⁰ ثانية.
• K هي كثافة طاقة التباين المغناطيسي للجسيم النانوي و V هو حجمه. وبالتالي فإن KV هو حاجز الطاقة المرتبط بتحرك المغناطيسية من اتجاه المحور السهل الأولي، عبر "مستوى صلب"، إلى اتجاه المحور السهل الآخر.
• k _B هو ثابت بولتزمان .
• T هي درجة الحرارة.

يمكن أن يتراوح طول هذه الفترة الزمنية من بضع نانوثانية إلى سنوات أو أكثر من ذلك بكثير. وبشكل خاص، يمكن ملاحظة أن وقت استرخاء نيل هو دالة أسيّة لحجم الحبيبات، وهو ما يفسر لماذا يصبح احتمال الانقلاب مهملاً بسرعة للمواد السائبة أو الجسيمات النانوية الكبيرة.

لنتخيل أنه تم قياس مغناطيسية جسيم نانوي فائق المغناطيسية ولنحدد ذلك على أنه وقت القياس. إذا ، فإن مغناطيسية الجسيم النانوي سوف تنقلب عدة مرات أثناء القياس، فإن المغناطيسية المقاسة ستكون في المتوسط ​​صفرًا. إذا ، فإن المغناطيسية لن تنقلب أثناء القياس، لذا فإن المغناطيسية المقاسة ستكون هي المغناطيسية اللحظية في بداية القياس. في الحالة الأولى، سيبدو الجسيم النانوي في حالة فائقة المغناطيسية بينما في الحالة الثانية سيبدو "محجوبًا" في حالته الأولية. ${\displaystyle \tau _{\text{m}}}$${\displaystyle \tau _{\text{m}}\gg \tau _{\text{N}}}$${\displaystyle \tau _{\text{m}}\ll \tau _{\text{N}}}$

تعتمد حالة الجسيم النانوي (فائقة البارامغناطيسية أو مسدودة) على وقت القياس. يحدث الانتقال بين المغناطيسية الفائقة والحالة المسدودة عندما . في العديد من التجارب، يتم الحفاظ على وقت القياس ثابتًا ولكن درجة الحرارة متغيرة، لذلك يُنظر إلى الانتقال بين المغناطيسية الفائقة والحالة المسدودة كدالة لدرجة الحرارة. تسمى درجة الحرارة التي لها درجة حرارة الحجب : ${\displaystyle \tau _{\text{m}}=\tau _{\text{N}}}$${\displaystyle \tau _{\text{m}}=\tau _{\text{N}}}$

${\displaystyle T_{\text{B}}={\frac {KV}{k_{\text{B}}\ln \left({\frac {\tau _{\text{m}}}{\tau _{0}}}\right)}}}$

بالنسبة للقياسات المعملية النموذجية، تكون قيمة اللوغاريتم في المعادلة السابقة في حدود 20-25.

على نحو مماثل، فإن درجة الحرارة المانعة هي درجة الحرارة التي تظهر عندها المادة استرخاءً بطيئًا للمغناطيسية. ^[2]

عندما يتم تطبيق مجال مغناطيسي خارجي H على مجموعة من الجسيمات النانوية الفائقة المغناطيسية، تميل عزماتها المغناطيسية إلى المحاذاة على طول المجال المطبق، مما يؤدي إلى مغناطيسية صافية. منحنى مغناطيسية المجموعة، أي المغناطيسية كدالة للمجال المطبق، عبارة عن دالة متزايدة عكسية على شكل حرف S. هذه الدالة معقدة للغاية ولكن في بعض الحالات البسيطة:

1. إذا كانت جميع الجسيمات متطابقة (نفس حاجز الطاقة ونفس العزم المغناطيسي)، ومحاورها السهلة موجهة جميعها بالتوازي مع المجال المطبق وكانت درجة الحرارة منخفضة بدرجة كافية ( T _B < T ≲ KV /(10 k _B ))، فإن مغناطيسية التجميع تكون

   ${\displaystyle M(H)\approx n\mu \tanh \left({\frac {\mu _{0}H\mu }{k_{\text{B}}T}}\right)}$.

2. إذا كانت جميع الجسيمات متطابقة وكانت درجة الحرارة مرتفعة بدرجة كافية ( T ≳ KV / k _B )، فبغض النظر عن اتجاهات المحاور السهلة:

   ${\displaystyle M(H)\approx n\mu L\left({\frac {\mu _{0}H\mu }{k_{\text{B}}T}}\right)}$

في المعادلات أعلاه:

• n هي كثافة الجسيمات النانوية في العينة
• ${\textstyle \mu _{0}}$هي النفاذية المغناطيسية للفراغ
• ${\textstyle \mu }$هي العزم المغناطيسي للجسيم النانوي
• ${\textstyle L(x)={\frac {1}{\tanh(x)}}-{\frac {1}{x}}}$هي دالة لانجفين

المنحدر الأولي للدالة هو القابلية المغناطيسية للعينة : ${\displaystyle M(H)}$${\displaystyle \chi }$

${\displaystyle \chi ={\begin{cases}\displaystyle {\frac {n\mu _{0}\mu ^{2}}{k_{\text{B}}T}}&{\text{for the 1st case}}\\\displaystyle {\frac {n\mu _{0}\mu ^{2}}{3k_{\text{B}}T}}&{\text{for the 2nd case}}\end{cases}}}$

وتكون القابلية الأخيرة صالحة أيضًا لجميع درجات الحرارة إذا تم توجيه المحاور السهلة للجسيمات النانوية بشكل عشوائي. ${\displaystyle T>T_{\text{B}}}$

من الممكن أن نرى من هذه المعادلات أن الجسيمات النانوية الكبيرة لها μ أكبر وبالتالي قابلية أكبر للتأثر. وهذا يفسر لماذا الجسيمات النانوية الفائقة المغناطيسية لها قابلية أكبر بكثير من الجسيمات البارامغناطيسية القياسية: فهي تتصرف تمامًا مثل الجسيمات البارامغناطيسية ذات عزم مغناطيسي ضخم.

لا يوجد اعتماد زمني على المغناطيسية عندما تكون الجسيمات النانوية إما مسدودة تمامًا ( ) أو فائقة المغناطيسية تمامًا ( ). ومع ذلك، توجد نافذة ضيقة حول المكان الذي يكون فيه وقت القياس ووقت الاسترخاء متساويين في المقدار. في هذه الحالة، يمكن ملاحظة اعتماد التردد على القابلية. بالنسبة للعينة الموجهة عشوائيًا، تكون القابلية المعقدة ^[3] : ${\displaystyle T\ll T_{\text{B}}}$${\displaystyle T\gg T_{\text{B}}}$${\displaystyle T_{\text{B}}}$

${\displaystyle \chi (\omega )={\frac {\chi _{\text{sp}}+i\omega \tau \chi _{\text{b}}}{1+i\omega \tau }}}$

أين

• ${\textstyle {\frac {\omega }{2\pi }}}$هو تردد المجال المطبق
• ${\textstyle \chi _{\text{sp}}={\frac {n\mu _{0}\mu ^{2}}{3k_{\text{B}}T}}}$هي القابلية للتأثر في الحالة الفائقة المغناطيسية
• ${\textstyle \chi _{\text{b}}={\frac {n\mu _{0}\mu ^{2}}{3KV}}}$هي القابلية في الحالة المحظورة
• ${\textstyle \tau ={\frac {\tau _{\text{N}}}{2}}}$هو وقت استرخاء الجمعية

ومن خلال هذه القابلية المعتمدة على التردد، يمكن استخلاص اعتماد المغناطيسية على الوقت في المجالات المنخفضة:

${\displaystyle \tau {\frac {\mathrm {d} M}{\mathrm {d} t}}+M=\tau \chi _{\text{b}}{\frac {\mathrm {d} H}{\mathrm {d} t}}+\chi _{\text{sp}}H}$

يمكن قياس النظام الفائق المغناطيسية باستخدام قياسات قابلية التيار المتردد ، حيث يتغير المجال المغناطيسي المطبق بمرور الوقت، ويتم قياس الاستجابة المغناطيسية للنظام. سيظهر النظام الفائق المغناطيسية اعتمادًا مميزًا على التردد: عندما يكون التردد أعلى بكثير من 1/τ _N ، ستكون هناك استجابة مغناطيسية مختلفة عن عندما يكون التردد أقل بكثير من 1/τ _N ، لأنه في الحالة الأخيرة، ولكن ليس في الحالة الأولى، سيكون لدى العناقيد المغناطيسية الحديدية الوقت للاستجابة للمجال عن طريق قلب مغناطيسيتها. ^[4] يمكن حساب الاعتماد الدقيق من معادلة نيل-أرينيوس، على افتراض أن العناقيد المجاورة تتصرف بشكل مستقل عن بعضها البعض (إذا تفاعلت العناقيد، يصبح سلوكها أكثر تعقيدًا). ​​من الممكن أيضًا إجراء قياسات قابلية التيار المتردد المغناطيسية البصرية باستخدام مواد فائقة المغناطيسية النشطة بصريًا مثل جسيمات أكسيد الحديد النانوية في نطاق الطول الموجي المرئي. ^[5]

تضع المغناطيسية الفائقة حدًا لكثافة تخزين محركات الأقراص الصلبة بسبب الحجم الأدنى للجسيمات التي يمكن استخدامها. يُعرف هذا الحد للكثافة المساحية باسم حد المغناطيسية الفائقة .

• تستخدم تقنية القرص الصلب القديمة التسجيل الطولي . ويبلغ الحد الأقصى المقدر له من 100 إلى 200 جيجابت/بوصة ^مربعة . ^[6]
• تستخدم تقنية القرص الصلب الحالية التسجيل العمودي . اعتبارًا من يوليو 2020، أصبحت ^[update]محركات الأقراص ذات الكثافة حوالي 1 تيرابايت/بوصة ^مربعة متاحة تجاريًا. ^[7] وهذا هو الحد الأقصى للتسجيل المغناطيسي التقليدي الذي تم التنبؤ به في عام 1999. ^{[8] [9]}
• تتضمن تقنيات القرص الصلب المستقبلية التي قيد التطوير حاليًا: التسجيل المغناطيسي بمساعدة الحرارة (HAMR) والتسجيل المغناطيسي بمساعدة الميكروويف (MAMR)، والتي تستخدم مواد مستقرة في أحجام أصغر بكثير. ^[10] تتطلب تسخينًا موضعيًا أو إثارة ميكروويف قبل تغيير الاتجاه المغناطيسي للبت. يتجنب التسجيل النمطي للبت (BPR) استخدام الوسائط ذات الحبيبات الدقيقة وهو احتمال آخر. ^[11] بالإضافة إلى ذلك، تم اقتراح تقنيات التسجيل المغناطيسي القائمة على التشوهات الطوبولوجية للمغناطيسية، والمعروفة باسم skyrmions . ^[12]

• السائل الممغنط : اللزوجة القابلة للضبط

• التصوير: عوامل التباين في التصوير بالرنين المغناطيسي (MRI)
• الفصل المغناطيسي: فصل الخلايا والحمض النووي والبروتينات وصيد الحمض النووي الريبي
• العلاجات: توصيل الدواء المستهدف ، فرط الحرارة المغناطيسية ، التحفيز المغناطيسي

• جسيمات أكسيد الحديد النانوية
• مغناطيس جزيء واحد

• المغناطيسية الفائقة لجزيئات النانو من الفريت المشترك
• عرض تقديمي على برنامج باوربوينت عن المغناطيسية الفائقة بصيغة pdf محفوظ في 2008-12-03 على موقع Wayback Machine