Микромагнетизм — это область физики, занимающаяся прогнозированием магнитного поведения в субмикрометровых масштабах длины. Рассматриваемые масштабы длины достаточно велики для того, чтобы игнорировать атомную структуру материала ( приближение континуума ), но достаточно малы для того, чтобы разрешить магнитные структуры, такие как доменные стенки или вихри.
Микромагнетизм может иметь дело со статическим равновесием , минимизируя магнитную энергию, и с динамическим поведением, решая зависящее от времени динамическое уравнение.
История
Микромагнетизм возник из статьи Льва Ландау и Евгения Лифшица 1935 года об антидоменных стенках. [1] : 133 [2] [3] [4] [5] [6] : 440
Затем микромагнетизм был расширен Уильямом Фуллером Брауном-младшим в нескольких работах в 1940-1941 годах [1] : 133 [3] [ необходим непервичный источник ] [7] [8] [6] : 440 с использованием выражений энергии, взятых из статьи Уильяма Кронка Элмора 1938 года . [3] [9]
По словам Д. Вэя, Браун ввел название «микромагнетизм» в 1958 году. [10] : 41 [11]
Область до 1960 года была обобщена в книге Брауна «Микромагнетизм » . [10] : 41 [12]
В 1970-х годах были разработаны вычислительные методы для анализа носителей информации в связи с появлением персональных компьютеров. [10] : 44
Статические микромагнетики
Целью статического микромагнетизма является решение для пространственного распределения намагниченности в равновесии. В большинстве случаев, поскольку температура намного ниже температуры Кюри рассматриваемого материала, предполагается, что модуль намагниченности везде равен намагниченности насыщения . Тогда задача состоит в нахождении пространственной ориентации намагниченности, которая задается вектором направления намагниченности , также называемым приведенной намагниченностью .
Статические равновесия находятся путем минимизации магнитной энергии, [13] : 138
с учетом ограничения или .
Вклад в эту энергию следующий:
Обмен энергией
Обменная энергия — это феноменологическое континуальное описание квантово-механического обменного взаимодействия . Она записывается как: [1] [13] : 101–104
где — константа обмена ; , и — компоненты ; а интегрирование производится по объему образца.
Обменная энергия имеет тенденцию благоприятствовать конфигурациям, где намагниченность медленно меняется по образцу. Эта энергия минимизируется, когда намагниченность идеально однородна. [1] : 135
Обменный член изотропен, поэтому любое направление одинаково приемлемо. [1] : 83
и, следовательно, может быть записано как градиент потенциала . Это поле зависит от самой магнитной конфигурации, и его можно найти, решив
внутри тела и
вне тела. Они дополняются граничными условиями на поверхности тела
где — единичная нормаль к поверхности. Кроме того, потенциал удовлетворяет условию, что и остается ограниченным при . [1] : 109–111 Решение этих уравнений (ср. магнитостатика ) имеет вид:
Величину часто называют плотностью объемного заряда , а также поверхностной плотностью заряда . [1] : 125–126 [13] : 110 [6] : 441
Энергия размагничивающего поля благоприятствует магнитным конфигурациям, которые минимизируют магнитные заряды. В частности, на краях образца намагниченность имеет тенденцию проходить параллельно поверхности. В большинстве случаев невозможно минимизировать этот энергетический член одновременно с другими. [ необходима цитата ] Тогда статическое равновесие является компромиссом, который минимизирует общую магнитную энергию, хотя оно может не минимизировать по отдельности какой-либо конкретный член.
Энергия взаимодействия Дзялошинского–Мория
Это взаимодействие возникает, когда кристалл не обладает инверсионной симметрией, что способствует тому, чтобы намагниченность была перпендикулярна соседям. Оно напрямую конкурирует с обменной энергией. Оно моделируется с энергетическим вкладом [14]
где - тензор спирализации, который зависит от класса кристалла. [15] Для объемного DMI,
а для тонкой пленки в плоскости интерфейса DMI принимает вид
а для материалов с классом симметрии энергетический вклад составляет
Магнитоупругая энергия описывает накопление энергии из-за упругих искажений решетки. Ею можно пренебречь, если пренебречь связанными магнитоупругими эффектами. Существует предпочтительное локальное искажение кристаллического твердого тела, связанное с директором намагниченности . Для простой модели малой деформации можно предположить, что эта деформация изохорна и полностью изотропна в боковом направлении, что дает девиаторный анзац [13] : 128 [16] : 250–251
где параметр материала — изотропная магнитострикционная постоянная. Предполагается, что плотность упругой энергии является функцией упругих деформаций, создающих напряжение . Квадратичная форма для магнитоупругой энергии имеет вид [13] : 138
где
— тензор упругости четвертого порядка. Здесь упругий отклик предполагается изотропным (на основе двух констант Ламе и ). Принимая во внимание постоянную длину , мы получаем представление на основе инварианта
Целью динамического микромагнетизма является предсказание эволюции магнитной конфигурации во времени. [1] : 181–182 Это особенно важно, если образец подвергается некоторым нестационарным условиям, таким как приложение импульса поля или переменного поля. Это делается путем решения уравнения Ландау-Лифшица-Гильберта , которое является частным дифференциальным уравнением, описывающим эволюцию намагниченности в терминах локального эффективного поля, действующего на него.
Эффективное поле
Эффективное поле — это локальное поле, ощущаемое намагниченностью. Однако единственными реальными полями являются магнитостатическое поле и приложенное поле. [12] Его можно неформально описать как производную плотности магнитной энергии по отношению к ориентации намагниченности, как в:
где d E /d V — плотность энергии. В вариационных терминах изменение d m намагниченности и связанное с ним изменение d E магнитной энергии связаны соотношением:
Поскольку m — единичный вектор, d m всегда перпендикулярен m . Тогда приведенное выше определение оставляет неопределенным компонент H eff , который параллелен m . [12] Обычно это не является проблемой, поскольку этот компонент не влияет на динамику намагничивания.
Из выражения различных вкладов в магнитную энергию можно найти эффективное поле (исключая вклады DMI и магнитоупругости): [1] : 178
Уравнение Ландау-Лифшица-Гильберта
Это уравнение движения намагниченности. Оно описывает ларморовскую прецессию намагниченности вокруг эффективного поля с дополнительным затухающим членом, возникающим из-за связи магнитной системы с окружающей средой. Уравнение можно записать в так называемой форме Гилберта (или неявной форме) как: [1] : 181 [6] : 462
Можно показать, что это математически эквивалентно следующей форме Ландау-Лифшица (или явной): [17] [1] : 181–182
где - постоянная затухания Гилберта, характеризующая, насколько быстро член затухания отнимает энергию у системы ( = 0, затухания нет, постоянная прецессия). Эти уравнения сохраняют ограничение , как [1] : 181
Приложения
Взаимодействие микромагнетизма с механикой также представляет интерес в контексте промышленных приложений, которые имеют дело с магнитоакустическим резонансом, например, в гиперзвуковых динамиках, высокочастотных магнитострикционных преобразователях и т. д. Моделирование FEM, учитывающее влияние магнитострикции на микромагнетизм, имеет важное значение. Такие моделирования используют модели, описанные выше в рамках конечно-элементной структуры. [18]
Помимо обычных магнитных доменов и доменных стенок, теория также рассматривает статику и динамику топологических линейных и точечных конфигураций, например, магнитных вихревых и антивихревых состояний; [19] или даже 3d-точек Блоха, [20] [21], где, например, намагниченность ведет радиально во все направления от начала координат или в топологически эквивалентные конфигурации. Таким образом, в пространстве, а также во времени, используются нано- (и даже пико-)масштабы.
Соответствующие топологические квантовые числа [21] как полагают [ кем? ], могут использоваться в качестве носителей информации, для применения новейших и уже изученных положений в области информационных технологий .
Другое приложение, появившееся в последнее десятилетие, — это применение микромагнетизма к нейронной стимуляции. В этой дисциплине численные методы, такие как конечно-элементный анализ, используются для анализа электрических/магнитных полей, генерируемых стимулирующим аппаратом; затем результаты проверяются или исследуются далее с использованием нейронной стимуляции in vivo или in vitro. Несколько различных наборов нейронов были изучены с использованием этой методологии, включая ретинальные нейроны, кохлеарные нейроны, [22] вестибулярные нейроны и кортикальные нейроны эмбриональных крыс. [23]
^ abcdefghijklmno Ахарони, Амикам (2007) [2000]. Введение в теорию ферромагнетизма (второе изд.). Оксфорд; Нью-Йорк: Издательство Оксфордского университета. п. 135. ИСБН978-0-19-850809-0.
^ Ахарони, Амикам (2001). «Микромагнетизм: прошлое, настоящее и будущее». Physica B: Condensed Matter . 306 (1–4): 1–9. Bibcode : 2001PhyB..306....1A. doi : 10.1016/S0921-4526(01)00954-1.
^ abc Браун, Уильям Фуллер (1978-03-01). «Домены, микромагнетизм и далее: воспоминания и оценки». Журнал прикладной физики . 49 (3): 1937–1942. Bibcode : 1978JAP....49.1937B. doi : 10.1063/1.324811. ISSN 0021-8979.
^ Барьяхтар, В.Г.; Иванов, БА (2015-09-01). «Уравнение Ландау-Лифшица: 80 лет истории, достижений и перспектив». Low Temperature Physics . 41 (9): 663–669. Bibcode : 2015LTP....41..663B. doi : 10.1063/1.4931649. ISSN 1063-777X.
^ Ландау, Л.; Лифшиц, Е. (1935). «К теории дисперсии магнитной проницаемости ферромагнитных тел». Sov. Phys . 8 : 153–166.
^ abcd Крузик, Мартин; Проль, Андреас (2006). «Последние разработки в области моделирования, анализа и численных методов ферромагнетизма». Обзор SIAM . 48 (3): 439–483. doi :10.1137/S0036144504446187. ISSN 0036-1445.
^ Браун, Уильям Фуллер (1940-10-15). «Теория подхода к магнитному насыщению». Physical Review . 58 (8): 736–743. Bibcode : 1940PhRv...58..736B. doi : 10.1103/PhysRev.58.736. ISSN 0031-899X.
^ Браун, Уильям Фуллер (1941-07-15). «Влияние дислокаций на намагниченность вблизи насыщения». Physical Review . 60 (2): 139–147. Bibcode : 1941PhRv...60..139B. doi : 10.1103/PhysRev.60.139. ISSN 0031-899X.
^ Элмор, WC (1938-05-01). «Магнитная структура кобальта». Physical Review . 53 (9): 757–764. doi :10.1103/PhysRev.53.757. ISSN 0031-899X.
^ abc Wei, Dan (2012-04-28). Микромагнетизм и записывающие материалы . Гейдельберг; Нью-Йорк: Springer Science & Business Media. ISBN978-3-642-28577-6. OCLC 779865001.
^ Браун, Уильям Фуллер (1958-03-01). «Строгий подход к теории ферромагнитной микроструктуры». Журнал прикладной физики . 29 (3): 470–471. Bibcode : 1958JAP....29..470B. doi : 10.1063/1.1723183. ISSN 0021-8979.
^ abc Brown Jr., WF (1963). Микромагнетизм. Interscience tracts on physics and astronomy. Vol. 18. Interscience Publishers. p. 7. Получено 2024-06-14 .
^ abcdefgh Хуберт, А.; Шефер, Р. (1998). Магнитные домены: анализ магнитных микроструктур. Springer. ISBN978-3-540-64108-7. Получено 2024-06-23 .
^ Кортес-Ортуньо, Дэвид; Бег, Мариджан; Неруджи, Ванесса; Брет, Леони; Пеппер, Райан; Клюйвер, Томас; Даунинг, Гари; Хешедал, Торстен; Хаттон, Питер; Ланкастер, Том; Хертель, Риккардо; Ховорка, Ондрей; Фангор, Ханс (12.11.2018). «Предложение о стандартной микромагнитной задаче для материалов с взаимодействием Дзялошинского–Мория». New Journal of Physics . 20 (11): 113015. arXiv : 1803.11174 . Bibcode : 2018NJPh...20k3015C. doi : 10.1088/1367-2630/aaea1c. ISSN 1367-2630.
^ Миядзаки, Терунобу; Джин, Ханмин (2012-08-22). Физика ферромагнетизма . Берлин Нью-Йорк: Springer Science & Business Media. ISBN978-3-642-25583-0.
^ Аберт, Клаас (июнь 2019 г.). «Микромагнетизм и спинтроника: модели и численные методы». The European Physical Journal B . 92 (6): 120. arXiv : 1810.12365 . Bibcode :2019EPJB...92..120A. doi : 10.1140/epjb/e2019-90599-6 . ISSN 1434-6028.
^ Миехе, Кристиан; Этирадж, Гаутам (2011-10-15). "Геометрически согласованная инкрементальная вариационная формулировка для моделей фазового поля в микромагнетизме". Компьютерные методы в прикладной механике и машиностроении . 245–246. Elsevier: 331–347. Bibcode :2012CMAME.245..331M. doi :10.1016/j.cma.2012.03.021.
^ Коминеас, Ставрос; Папаниколау, Никос (2007). «Динамика пар вихрь-антивихрь в ферромагнетиках». arXiv : 0712.3684v1 [cond-mat.mtrl-sci].
^ Thiaville, André; García, José; Dittrich, Rok; Miltat, Jacques; Schrefl, Thomas (март 2003 г.). "Микромагнитное исследование инверсии ядра вихря, вызванной точкой Блоха" (PDF) . Physical Review B. 67 ( 9): 094410. Bibcode : 2003PhRvB..67i4410T. doi : 10.1103/PhysRevB.67.094410. hdl : 10261/25225 .
^ ab Döring, W. (1968). «Точечные особенности в микромагнетизме». Журнал прикладной физики . 39 (2): 1006–1007. Bibcode : 1968JAP....39.1006D. doi : 10.1063/1.1656144.
^ Мукеш, С. (2017). «Моделирование интракохлеарной магнитной стимуляции: конечно-элементный анализ». Труды IEEE по нейронным системам и реабилитационной технике . 25 (8): 1353–1362. doi : 10.1109/TNSRE.2016.2624275 . PMC 5750049. PMID 27831887 .
^ Мукеш, С. (2019). Магнитная стимуляция диссоциированных корковых нейронов на плоской многоэлектродной решетке . 9-я международная конференция IEEE/EMBS по нейронной инженерии (NER) 2019 г. стр. 1758–761. doi :10.1109/NER.2019.8717125.
Дальнейшее чтение
Аберт, Клаас (2019). «Микромагнетизм и спинтроника: модели и численные методы (открытый доступ)». European Physical Journal B . 92 (6): 120. arXiv : 1810.12365 . Bibcode :2019EPJB...92..120A. doi : 10.1140/epjb/e2019-90599-6 .
Браун, Уильям Фуллер-младший (1978) [1963]. Микромагнетизм . Нью-Йорк: Wiley. ISBN978-0-88275-665-3.
Гилберт, Томас Л. (2004). «Феноменологическая теория затухания в ферромагнитных материалах». IEEE Transactions on Magnetics . 40 (6): 3443–3449. Bibcode : 2004ITM....40.3443G. doi : 10.1109/TMAG.2004.836740. ISSN 0018-9464. S2CID 35628797.
Крузик Мартин, Проль Андреас (2006). «Последние разработки в области моделирования, анализа и численных методов ферромагнетизма». Обзор SIAM . 48 (3): 439–483. Bibcode : 2006SIAMR..48..439K. doi : 10.1137/S0036144504446187.
Maugin, Gérard A. (1988). Механика сплошной среды электромагнитных твердых тел . Амстердам: Северная Голландия. ISBN978-0444703996.