초모수자기학

초파라믹은 작은 강자성 또는 강자성 나노입자에서 나타나는 자성의 한 형태다. 충분히 작은 나노입자에서 자기화는 온도의 영향을 받아 무작위로 방향을 뒤집을 수 있다. 두 플립 사이의 전형적인 시간을 네엘 휴식 시간이라고 부른다. 외부 자기장이 없는 경우, 나노입자의 자기화를 측정하는 데 사용되는 시간이 네엘 이완 시간보다 훨씬 길면, 그들의 자기화는 평균 0으로 나타나며, 초파라믹 상태에 있다고 한다. 이 상태에서 외부 자기장은 파라마그넷과 유사하게 나노입자를 자기화할 수 있다. 그러나 그들의 자기 민감성은 파라마네트의 민감성보다 훨씬 크다.

자기장이 없는 네엘의 이완

일반적으로 강자성 또는 강자성 물질은 퀴리 온도보다 높은 파라자성 상태로 전환된다. 초파라믹은 물질의 퀴리 온도 이하로 발생하기 때문에 이 표준 전환과는 다르다.

초파라믹은 단일 영역인 나노입자에서 발생한다. 즉, 단일 자기 영역으로 구성된다. 이는 재료에 따라 직경이 3-50nm 미만일 때 가능하다. 이 상태에서 나노입자의 자기화는 나노입자의 원자가 운반하는 모든 개별적인 자기모멘트를 합한 하나의 거대한 자기모멘트라고 간주된다. 초모수자기학 분야의 사람들은 이것을 "매크로 스핀 근사"라고 부른다.

나노입자의 자기 음이소트로피 때문에, 자기 모멘트는 보통 에너지 장벽에 의해 분리된 서로에 대해 두 개의 안정된 방향 대위선만 가진다. 안정적인 방향은 나노입자의 소위 "쉬운 축"을 정의한다. 유한한 온도에서는 자기화가 그 방향을 뒤집을 확률은 유한하다. 두 플립 사이의 평균 시간을 Néel 이완 시간 $\tau _{\text{N}}$ N ${\$ $N}}$ 과 $\tau _{\text{N}}$ (와)는 다음과 같은 네엘-아르헤니우스 방정식으로 주어진다.^[1]

{\

N}}=\tau _{0}\exp \left({\frac {KV}{k_{\text{B})}

T}\오른쪽

여기서:

${\$ $따라서$ N $}}$ 은(는) 나노입자의 자기화가 열변동의 결과로 무작위로 뒤집히는 데 걸리는 평균 시간이다 $\tau _{\text{N}}$ .
$\tau _{0}$ ${\$ 은 $\tau _{0}$ 재료의 특징으로, 시도 시간 또는 시도 기간(상호작용은 시도 빈도라고 함)이라고 하며, 대표적인 값은 10초에서⁻⁹ 10초⁻¹⁰ 사이이다.
K는 나노입자의 자기 음이소트로피 에너지 밀도이며 V는 그 부피다. 그러므로 KV는 자기화와 관련된 에너지 장벽으로, 초기 쉬운 축 방향에서 "하드 평면"을 통해 다른 쉬운 축 방향으로 이동한다.
k는_B 볼츠만 상수다.
T는 온도다.

이 시간은 수 나노초에서 수 년 또는 훨씬 더 길 수 있다. 특히 네엘 이완시간은 곡물 부피의 지수함수임을 알 수 있는데, 이 때문에 벌크 소재나 대형 나노입자에 대해서는 플립 확률을 급격히 무시할 수 있게 되는 이유를 설명해준다.

차단온도

단일 초파라믹 나노입자의 자기화가 측정된다고 상상하고 $\tau _{\text{m}}$ m ${\$ {\ $text{$ m}}을 측정 $\tau _{\text{m}}$ 시간으로 정의하자. $\tau _{\text{m}}\gg \tau _{\text{N}}$ $\tau _{\text{m}}\gg \tau _{\text{N}}$ N $\tau _{\text{m}}\gg \tau _{\text{N}}$ {\ $displaystyle \tau _$ {\ $text{$ m}\ $g \tau$ _{\ $text$ {\text $}$ $N$ 나노입자 자기화는 측정 중에 여러 번 뒤집힌 다음, 측정된 자기화는 평균 0이 된다. $\tau _{\text{m}}\ll \tau _{\text{N}}$ $\tau _{\text{m}}\ll \tau _{\text{N}}$ N $\tau _{\text{m}}\ll \tau _{\text{N}}$ {\ $displaystyle \tau_{\text{m}\ll \tau_{\text$ {\text{\text $}$ 일 경우 $N$ 측정 중에 자성이 뒤집히지 않으므로 측정된 자성은 측정 시작 시 순간 자성이었던 것과 같을 것이다. 전자의 경우 나노입자가 초파라마 상태에 있는 것처럼 보이는 반면 후자의 경우 초기 상태에서는 "차단된" 것처럼 보일 것이다.

나노입자(초자성 또는 차단)의 상태는 측정 시간에 따라 달라진다. 초파라믹과 차단된 상태의 전환은 $\tau _{\text{m}}=\tau _{\text{N}}$ $\tau _{\text{m}}=\tau _{\text{N}}$ = = $\tau _{\text{m}}=\tau _{\text{N}}$ ${\$ _ ${\text$ {\text $}$ 일 때 일어난다. $N$ 여러 실험에서 측정 시간은 일정하게 유지되지만 온도는 변화하므로 초파라믹과 차단 상태의 전환은 온도의 함수로 본다. $\tau _{\text{m}}=\tau _{\text{N}}$ $\tau _{\text{m}}=\tau _{\text{N}}$ = $\tau _{\text{m}}=\tau _{\text{N}}$ $\tau _{\text{m}}=\tau _{\text{N}}$ ${\$ 에 대한 온도 $N}}$ 은 $\tau _{\text{m}}=\tau _{\text{N}}$ (는) 차단 온도라고 한다.

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

일반적인 실험실 측정의 경우, 이전 방정식의 로그 값은 20–25의 순서로 되어 있다.

자기장의 영향

Langevin 함수(빨간색 선)는

{\textstyle \tanh \left({\frac {1}{3}}x\right)}

{\textstyle \tanh \left({\frac {1}{3}}x\right)}

(

{\textstyle \tanh \left({\frac {1}{3}}x\right)}

3

{\textstyle \tanh \left({\frac {1}{3}}x\right)}

){\

파란색 선)과 비교된다.

초파라믹 나노입자 조합에 외부 자기장 H를 적용하면 이들의 자기 모멘트가 적용된 장을 따라 정렬되는 경향이 있어 순자화(net magnetization)로 이어진다. 어셈블리의 자기화 곡선, 즉 적용된 장의 함수로서의 자기화는 가역적인 S자형 증가함수다. 이 기능은 매우 복잡하지만 일부 간단한 경우:

모든 입자가 동일(동일한 에너지 장벽과 동일한 자기 모멘트)하고, 그 쉬운 축은 모두 적용된 장에 평행하고, 온도가 충분히 낮을 경우(T_B < T > ≲ KV/(10_B k)), 조립체의 자화(Magneticization)는 다음과 같다.
${\$ $H\mu }{k_{\text{B}}}$ $T}\오른쪽$
모든 입자가 동일하고 온도가 충분히 높은 경우(T / KV/k_B), 쉬운 축의 방향과 무관하게 다음과 같이 한다.
$({\displaystyle M(H)\cH\cHB\n\mu L\left({\frac {\mu _{0})H\mu }{k_{\text{B}}}T}\오른쪽),}$

위의 방정식에서:

n은 표본의 나노 입자 밀도다.
${\textstyle \mu _{0}}$ ${\textstyle \mu _{0}}$ ${\$ 진공의 자기 투과성 ${\textstyle \mu _{0}}$
$[\textstyle \mu }$ 은 ${\textstyle \mu }$ (는) 나노입자의 자기 모멘트다.
${\textstyle L(x)={\frac {1}{\tanh(x)}}-{\frac {1}{x}}}$ ( x ${\textstyle L(x)={\frac {1}{\tanh(x)}}-{\frac {1}{x}}}$ ) ${\textstyle L(x)={\frac {1}{\tanh(x)}}-{\frac {1}{x}}}$ = ${\textstyle L(x)={\frac {1}{\tanh(x)}}-{\frac {1}{x}}}$ ${\textstyle L(x)={\frac {1}{\tanh(x)}}-{\frac {1}{x}}}$ ${\textstyle L(x)={\frac {1}{\tanh(x)}}-{\frac {1}{x}}}$ ( x ${\textstyle L(x)={\frac {1}{\tanh(x)}}-{\frac {1}{x}}}$ ) ${\textstyle L(x)={\frac {1}{\tanh(x)}}-{\frac {1}{x}}}$ - 1 ${\textstyle L(x)={\frac {1}{\tanh(x)}}-{\frac {1}{x}}}$ ${\$ 은 ${\textstyle L(x)={\frac {1}{\tanh(x)}}-{\frac {1}{x}}}$ (는) Langevin 함수임

$M(H)$ ( $M(H)$ ) $M(H)$ 함수의 $M(H)$ 초기 기울기는 $\chi$ { $\chi$ {\ $displaystyle \chi$ }의 자기 감수성이다 $\chi$

\chi ={\begin{case}\displaystyle {\frac {n\mu _{0}\mu ^{2}}:{k_{\text{B}}}}}T}&{\text{1차 케이스용}\\displaystyle {\frac {n\mu_{0}\mu ^{2}}:{3k_{\text{B}}}}T}&{\text{두 번째 케이스의 경우}\end{case}}

후자의 민감도는 $T>T_{\text{B}}$ > $T>T_{\text{B}}$ $T>T_{\text{B}}$ ${\$ 모든 온도에도 유효하다.나노입자의 쉬운 축이 임의의 방향으로 되어 있는 $경우$ B $}}.$

이러한 방정식을 통해 큰 나노입자가 µs 더 크고 따라서 민감성이 더 크다는 것을 알 수 있다. 이것은 초자성 나노입자가 표준 파라마그네틱보다 훨씬 더 민감성을 가지고 있는 이유를 설명해준다: 그들은 거대한 자기 모멘트를 가진 파라마그넷처럼 정확히 행동한다.

자석의 시간 의존성

나노입자가 완전히 막혔을 때 자석의 시간 의존성은 없다( $T\ll T_{\text{B}}$ $T\ll T_{\text{B}}$ T $T\ll T_{\text{B}}$ ${\$ {\text ${$ $B$ 또는 완전 초파라믹( $T\gg T_{\text{B}}$ t T $T\gg T_{\text{B}}$ {\ $displaystyle T\$ g $T_{\text{$ $B}}$ ). $T\gg T_{\text{B}}$ 그러나 T $T_{\text{B}}$ ${\$ {\text} 주위에 좁은 창은 T B {\displaystyle T_{\text $}$ $B}}}$ 측정 시간과 이완 시간이 비슷한 크기 $T_{\text{B}}$ . 이 경우 민감도의 주파수 의존성을 관찰할 수 있다. 랜덤 방향 표본의 경우 복합 민감도는^[2] 다음과 같다.

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

어디에

${\textstyle {\frac {\omega }{2\pi }}}$ ${\textstyle {\frac {\omega }{2\pi }}}$ ${\$ 은 ${\textstyle {\frac {\omega }{2\pi }}}$ (는) 적용 필드의 주파수임
${\$ $T}}}$ 은 ${\textstyle \chi _{\text{sp}}={\frac {n\mu _{0}\mu ^{2}}{3k_{\text{B}}T}}}$ (는) 초파라믹 상태의 민감성이다.
${\$ $KV}}$ 은 ${\textstyle \chi _{\text{b}}={\frac {n\mu _{0}\mu ^{2}}{3KV}}}$ (는) 차단 상태의 민감도임
${\$ $N$ 은(는) 어셈블리의 이완 시간이다.

이러한 주파수 의존적 민감성으로부터 저장에 대한 자기화의 시간 의존성을 도출할 수 있다.

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

측정

초파라믹 시스템은 AC 수용성 측정으로 측정할 수 있는데, 이때 적용된 자기장이 시간에 따라 달라지며, 시스템의 자기 반응이 측정된다. 초파라믹 시스템은 다음과 같은 특징적인 주파수 의존성을 보일 것이다. 주파수가 1/4보다_N 훨씬 높을 때는 주파수가 1/2보다_N 훨씬 낮을 때와 다른 자기 반응이 나타나게 되는데, 이는 후자의 경우지만 전자가 아닌 강자성단은 자기장을 뒤집어서 전장에 반응하는 시간을 갖게 되기 때문이다.^[3] 정확한 의존성은 이웃 군집들이 서로 독립적으로 행동한다고 가정하여 네엘-아르헤니우스 방정식을 통해 계산할 수 있다(군집들이 상호작용을 하면 그들의 행동은 더욱 복잡해진다). 가시 파장 범위에서 철산화물 나노입자 등 자기계발적으로 활성 초파라믹 물질로 자기광학 AC 감수성 측정도 가능하다.^[4]

하드 드라이브에 미치는 영향

초파라믹은 사용할 수 있는 입자의 최소 크기 때문에 하드 디스크 드라이브의 스토리지 밀도에 제한을 두고 있다. 면적 밀도에 대한 이 한계는 초파라믹 한계로 알려져 있다.

구형 하드 디스크 기술은 종방향 기록을 사용한다. 추정 한계는 100에서 200 Gbit/in이다².^[5]
현재의 하드 디스크 기술은 수직 자기 방식 레코딩을 사용한다. 2020년^[update] 7월 현재 약 1Tbit/in의² 밀도를 가진 드라이브를 시중에서 구입할 수 있다.^[6] 이는 1999년 예측됐던 기존 자기 방식 녹음의 한계다.^[7]^[8]
현재 개발 중인 미래형 하드디스크 기술로는 훨씬 작은 사이즈에서도 안정적인 소재를 사용하는 열부속 자기녹음(HAMR)과 마이크로파 자기녹음(MAMR)이 있다.^[9] 그들은 비트의 자기 방향을 바꾸기 전에 국소적인 난방이나 마이크로파 분비가 필요하다. 비트 패턴 레코딩(BPR)은 미세화된 매체의 사용을 피하고 또 다른 가능성^[10]. 이와 함께 스카이리미온으로 알려진 자석의 위상학적 왜곡에 기초한 자기 기록 기술이 제안되었다.^[11]

적용들

일반 응용 프로그램

페로플루이드 : 튜닝성 점성

바이오메디컬 어플리케이션

영상촬영: 자기공명영상(MRI)의 조영제
자기 분리: 세포-, DNA-, 단백질-분리, RNA 어업
치료법: 표적 약물 전달, 자기 열감, 자기감염

참고 항목

참조

메모들

^ Néel, L. (1949). "Théorie du traînage magnétique des ferromagnétiques en grains fins avec applications aux terres cuites". Ann. Géophys. 5: 99–136. (프랑스어, 에서 영어 번역 가능).
^ Gittleman, J. I.; Abeles, B.; Bozowski, S. (1974). "Superparamagnetism and relaxation effects in granular Ni-SiO₂ and Ni-Al₂O₃ films". Physical Review B. 9 (9): 3891–3897. Bibcode:1974PhRvB...9.3891G. doi:10.1103/PhysRevB.9.3891.
^ Martien, Dinesh. "Introduction to: AC susceptibility" (PDF). Quantum Design. Retrieved 15 Apr 2017.
^ Vandendriessche, Stefaan; et al. (2013). "Magneto-optical harmonic susceptometry of superparamagnetic materials". Applied Physics Letters. 102 (16): 161903–5. Bibcode:2013ApPhL.102p1903V. doi:10.1063/1.4801837.
^ Kryder, M. H. Magnetic recording beyond the superparamagnetic limit. Magnetics Conference, 2000. INTERMAG 2000 Digest of Technical Papers. 2000 IEEE International. p. 575. doi:10.1109/INTMAG.2000.872350.
^ 컴퓨터 히스토리 박물관: HDD 면적 밀도가 평방인치당 1테라비트에 도달함
^ R. Wood, "평방인치당 1테라비트에서의 자기 기록의 실현 가능성", IEEE Trans. 2000년 1월 36권 1번 페이지 36-42
^ "Hitachi achieves nanotechnology milestone for quadrupling terabyte hard drive" (Press release). Hitachi. October 15, 2007. Retrieved 1 Sep 2011.
^ Y. 시로이시 외, "HDD 스토리지를 위한 미래 옵션", IEEE Trans. 2009년 9월 19일자 3816-22면, 제45권 10호
^ Murray, Matthew (2010-08-19). "Will Toshiba's Bit-Patterned Drives Change the HDD Landscape?". PC Magazine. Retrieved 21 Aug 2010.
^ Fert, Albert; Cros, Vincent; Sampaio, João (2013-03-01). "Skyrmions on the track". Nature Nanotechnology. 8 (3): 152–156. Bibcode:2013NatNa...8..152F. doi:10.1038/nnano.2013.29. ISSN 1748-3387. PMID 23459548.

원천

Néel, L. (1949). "Théorie du traînage magnétique des ferromagnétiques en grains fins avec applications aux terres cuites" (PDF). Ann. Géophys. (in French). 5: 99–136. 영어 번역은 다음에서 구할 수 있다.
Weller, D.; Moser, A. (1999). "Thermal Effect Limits in Ultrahigh Density Magnetic Recording". IEEE Transactions on Magnetics. 35 (6): 4423–4439. Bibcode:1999ITM....35.4423W. doi:10.1109/20.809134.

외부 링크

[Neel49-1] Néel, L. (1949). "Théorie du traînage magnétique des ferromagnétiques en grains fins avec applications aux terres cuites". Ann. Géophys. 5: 99–136. (프랑스어, 에서 영어 번역 가능).

[2] Gittleman, J. I.; Abeles, B.; Bozowski, S. (1974). "Superparamagnetism and relaxation effects in granular Ni-SiO₂ and Ni-Al₂O₃ films". Physical Review B. 9 (9): 3891–3897. Bibcode:1974PhRvB...9.3891G. doi:10.1103/PhysRevB.9.3891.

[3] Martien, Dinesh. "Introduction to: AC susceptibility" (PDF). Quantum Design. Retrieved 15 Apr 2017.

[4] Vandendriessche, Stefaan; et al. (2013). "Magneto-optical harmonic susceptometry of superparamagnetic materials". Applied Physics Letters. 102 (16): 161903–5. Bibcode:2013ApPhL.102p1903V. doi:10.1063/1.4801837.

[5] Kryder, M. H. Magnetic recording beyond the superparamagnetic limit. Magnetics Conference, 2000. INTERMAG 2000 Digest of Technical Papers. 2000 IEEE International. p. 575. doi:10.1109/INTMAG.2000.872350.

[6] 컴퓨터 히스토리 박물관: HDD 면적 밀도가 평방인치당 1테라비트에 도달함

[7] R. Wood, "평방인치당 1테라비트에서의 자기 기록의 실현 가능성", IEEE Trans. 2000년 1월 36권 1번 페이지 36-42

[8] "Hitachi achieves nanotechnology milestone for quadrupling terabyte hard drive" (Press release). Hitachi. October 15, 2007. Retrieved 1 Sep 2011.

[9] Y. 시로이시 외, "HDD 스토리지를 위한 미래 옵션", IEEE Trans. 2009년 9월 19일자 3816-22면, 제45권 10호

[10] Murray, Matthew (2010-08-19). "Will Toshiba's Bit-Patterned Drives Change the HDD Landscape?". PC Magazine. Retrieved 21 Aug 2010.

[11] Fert, Albert; Cros, Vincent; Sampaio, João (2013-03-01). "Skyrmions on the track". Nature Nanotechnology. 8 (3): 152–156. Bibcode:2013NatNa...8..152F. doi:10.1038/nnano.2013.29. ISSN 1748-3387. PMID 23459548.

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