Магнитная анизотропия

Эта статья может быть слишком технической для понимания большинства читателей . Пожалуйста, помогите улучшить ее, чтобы сделать ее понятной для неспециалистов , не удаляя технические детали. ( Сентябрь 2010 ) ( Узнайте, как и когда удалять это сообщение )

В физике конденсированного состояния магнитная анизотропия описывает, как магнитные свойства объекта могут различаться в зависимости от направления . В простейшем случае не существует предпочтительного направления для магнитного момента объекта . Он будет реагировать на приложенное магнитное поле одинаково, независимо от направления приложения поля. Это известно как магнитная изотропия . Напротив, магнитно-анизотропные материалы будут легче или труднее намагничиваться в зависимости от того, в какую сторону вращается объект.

Для большинства магнитно-анизотропных материалов существует два самых простых направления намагничивания материала, которые находятся на 180° друг от друга. Линия, параллельная этим направлениям, называется легкой осью . Другими словами, легкая ось является энергетически выгодным направлением спонтанного намагничивания . Поскольку два противоположных направления вдоль легкой оси обычно одинаково легко намагничиваются вдоль, фактическое направление намагничивания может так же легко установиться в любом направлении, что является примером спонтанного нарушения симметрии .

Магнитная анизотропия является предпосылкой для гистерезиса в ферромагнетиках : без нее ферромагнетик является суперпарамагнитным . ^[1]

Наблюдаемая магнитная анизотропия в объекте может происходить по нескольким разным причинам. Вместо того, чтобы иметь одну причину, общая магнитная анизотропия данного объекта часто объясняется комбинацией этих различных факторов: ^[2]

Магнитокристаллическая анизотропия

Атомная структура кристалла обуславливает преимущественные направления намагничивания .

Анизотропия формы

Если частица не идеально сферическая, размагничивающее поле не будет одинаковым для всех направлений, создавая одну или несколько легких осей.

Магнитоупругая анизотропия

Напряжение может изменить магнитное поведение, что приведет к магнитной анизотропии.

Анизотропия обмена

Возникает при взаимодействии антиферромагнитных и ферромагнитных материалов. ^[3]

Магнитная анизотропия бензольного кольца (A), алкена (B), карбонила (C), алкина (D) и более сложной молекулы (E) показана на рисунке. Каждая из этих ненасыщенных функциональных групп (AD) создает крошечное магнитное поле и, следовательно, некоторые локальные анизотропные области (показаны как конусы), в которых экранирующие эффекты и химические сдвиги необычны. Бисазосоединение (E) показывает, что обозначенный протон {H} может появляться при различных химических сдвигах в зависимости от состояния фотоизомеризации азогрупп. ^[4] Транс - изомер удерживает протон {H} далеко от конуса бензольного кольца, поэтому магнитная анизотропия отсутствует. В то время как цис- форма удерживает протон {H} вблизи конуса, экранирует его и уменьшает его химический сдвиг. ^[4] Это явление обеспечивает новый набор взаимодействий ядерного эффекта Оверхаузера (NOE) (показаны красным), которые возникают в дополнение к ранее существовавшим (показаны синим).

Предположим, что ферромагнетик является однодоменным в самом строгом смысле: намагниченность однородна и вращается в унисон. Если магнитный момент равен , а объем частицы равен , намагниченность равна , где — намагниченность насыщения , а — направляющие косинусы (компоненты единичного вектора ), поэтому . Энергия, связанная с магнитной анизотропией, может зависеть от направляющих косинусов различными способами, наиболее распространенные из которых обсуждаются ниже.${\displaystyle {\boldsymbol {\mu }}}$${\displaystyle V}$${\displaystyle \mathbf {M} ={\boldsymbol {\mu }}/V=M_{s}\left(\alpha ,\beta ,\gamma \right)}$${\displaystyle М_{с}}$${\displaystyle \альфа ,\бета ,\гамма }$${\displaystyle \альфа ^{2}+\бета ^{2}+\гамма ^{2}=1}$

Магнитная частица с одноосной анизотропией имеет одну легкую ось. Если легкая ось находится в направлении , то энергия анизотропии может быть выражена в виде одной из форм:${\displaystyle z}$

${\displaystyle E=KV\left(1-\gamma ^{2}\right)=KV\sin ^{2}\theta,}$

где — объем, константа анизотропии и угол между легкой осью и намагниченностью частицы. Когда анизотропия формы рассматривается явно, для обозначения константы анизотропии часто используется символ вместо . В широко используемой модели Стонера–Вольфарта анизотропия является одноосной.${\displaystyle V}$${\displaystyle К}$${\displaystyle \тета}$${\displaystyle {\mathcal {N}}}$${\displaystyle К}$

Магнитная частица с трехосной анизотропией все еще имеет одну легкую ось, но также имеет жесткую ось (направление максимальной энергии) и промежуточную ось (направление, связанное с седловой точкой в ​​энергии). Координаты можно выбрать так, чтобы энергия имела вид

${\displaystyle E=K_{a}V\alpha ^{2}+K_{b}V\beta ^{2}.}$

Если легкая ось — это направление, промежуточная ось — это направление, а жесткая ось — это направление. ^[5]${\displaystyle K_{a}>K_{b}>0,}$${\displaystyle z}$${\displaystyle у}$${\displaystyle x}$

Магнитная частица с кубической анизотропией имеет три или четыре легкие оси в зависимости от параметров анизотропии. Энергия имеет вид

${\displaystyle E=KV\left(\alpha ^{2}\beta ^{2}+\beta ^{2}\gamma ^{2}+\gamma ^{2}\alpha ^{2}\right).}$

Если легкими осями являются оси и . Если имеется четыре легких оси, характеризующиеся .${\displaystyle К>0,}$${\displaystyle x,y,}$${\displaystyle z}$${\displaystyle К<0,}$${\displaystyle x=\pm y=\pm z}$

• Анизотропия флуоресценции