Введение к работе
Актуальность темы. Ансамбли малых магнитных частиц представляют собой одну из наиболее интенсивно изучаемых систем в современной физике твердого тела и статистической физике. Интерес к ним с практической стороны обусловлен их широким применением в производстве носителей магнитной записи (НМЗ) и феррожидкостей (см., например Wohlfaith,1980 и Шлиомис,1974). Несмотря на определенные успехи в развитии т.н. тонкопленочных НМЗ, а также на все усиливающуюся конкуренцию со стороны оптических дисков, малые' магнитные частицы все еще широко применяются в производстве НМЗ. С другой стороны, область применения феррожидкостей, представляющих собой суспензии малых магнитных частиц, непрерывно расширяется и включает сегодня огромное количество приложений от регулируемых подшипников до магнитного транспорта лекарств.
С точки зрения т.н. фундаментальной науки системы малых магнитных частиц представляют собой весьма замечательный пример системы с дальнодеиствующим анизотропным межчастичным взаимодействием частиц, где даже построение теории среднего поля наталкивается на значительные трудности. Дальнодействующий характер диполь-диполыгаго взаимодействия не позволяет воспользоваться приближением ближайших соседей, а равенство нулю средней проекции поля взаимодействия на любую ось (при хаотическом расположении частиц) не дает возможности построить теорию среднего поля типа Кюри-Вейсса. Наконец, задача учета межчастичных корреляций осложняется гисте-резисными эффектами.
По этим причинам свойства таких ансамблей весьма далеки от ясного понимания. Фактически отсутствует даже адекватная теория среднего поля для описания квазистатических процессов перем агничивания с учетом взаимодействия частиц. Поэтому тема диссертации представляется весьма актуальной.
Целью данной работы было:
построение новых теоретических моделей для аналитического исследования процессов квазистатического и динамического перемагничивания систем малых магнитных частиц с учетом всегда присутствующего в реальных ансамблях взаимодействия частиц и их разброса по размерам
разработка численных методов моделирования вышеуказанных процессов в тех случаях, когда аналитические методы оказываются неадекватными
построение численных алгоритмов расчета конфигурации намагниченности частиц, размеры которых превышают размер абсолютной однодомености.
Научная новизна и практическая ценность работы заключаются в том, что:
-
Построена теория среднего поля для учета взаимодействия частиц при изучении квазистатических процессов перемагничивания. Выводы теории могут быть использованы при интерпретации зависимостей коэрцитивной силы и остаточной намагниченности от концентрации частиц, а также при восстановлении распределения частиц по полям перемагничивания.
-
Получено аналитическое решение задачи о магнитной вяз-
кости системы с известной плотностью распределения акти-вационных барьеров. Отдельно изучена магнитная вязкость для модели Стонера-Вольфарта- наиболее распространенной при интерпретации экспериментов, выполненых на системах малых магнитных частиц. Показано, что пренебрежение эффектами взаимодействиями и разбросом частиц по размерам приводит к качественно неверной интерпретации экспериментальных данных.
3. Для суспензий магнитных частиц в жидкости предска
зано существование оптимального поля ориентирования для
идеального ансамбля. Предложен также механизм, объясня
ющий агрегацию цепочек магнитных частиц в жидкости, что
позволило указать способ уменьшить скорость агрегации.
4. Предложен новый метод изучения динамических процессов
перемагничивания в малых частицах с помощью т.н. спек
троскопии корреляции фотонов. Метод позволяет изучать
флуктуации магнитного момента таких частиц в диапазоне
времен, недоступном для спектроскопии Мессбауэраи для ве
ществ, не имеющих мессбауэровских изотопов.
5. Разработаны новые численные алгоритмы для решения
статических задач микромагнетизма, позволяющие на один-
два порядка увеличить размер изучаемых систем (число уз
лов сетки). Эти методы в особенности приспособлены для
изучения магнитных структур в мягких магнитных матери
алах, широко применяемых в производстве магнитных сен
соров и головок.
Основные защищаемые положения: I. Квазистатический гистерезис: 1. Статическая магнитная восприимчивость невзаимодей-
ствующего ансамбля хаотически ориентированных частиц с одноосной анизотропией есть неаналитическая (расходящаяся) функция внешнего поля. Это означает, что наблюдаемые в эксперименте максимальные конечные значения восприимчивости определяются разбросом частиц по размерам и их взаимодействием.
2. Плотность распределения локального поля взаимодействия
частиц при любой степени ориентации их магнитных момен
тов может быть с хорошей точностью аппроксимирована изо
тропным лоренцевым распределением, обрезанным со сторо
ны больших полей.
-
Для ориентированного ансамбля взаимодействие качественно изменяет вид петли гистерезиса при любой конечной концентрации частиц.
-
Для ансамбля хаотически расположенных в пространстве частиц без внутренней анизотропии существует гистерезис перемагничивания как коллективный эффект взаимодействия частиц.
II. Магнитная вязкость и динамические процессы перемагничивания:
1. Для системы одинаковых одноосных однодоменных ча
стиц плотность распределения высот активационных барье
ров сингулярна, что приводит к неаналитической (корневой)
зависимости максимальной магнитной вязкости от темпера
туры для идеального ансамбля. Наблюдаемая в эксперименте
линейная зависимость обусловлена разбросом частиц по раз
мерам и их взаимодействием.
2. Существует оптимальное магнитное поле для ориентиро
вания ансамбля одноосных магнитных частиц в жидкости.
III. Микромагнетизм:
1. Наиболее эффективным методом расчета нелокальной маг-
нитостатической энергии является вычисление размагничи
вающего поля с использованием скалярного магнитного по
тенциала. Соответствующий потенциал может быть рассчи
тан как дискретная свертка с помощью алгоритма быстрого
преобразования Фурье в том числе и для непериодических
конфигураций намагниченности.
-
Гистерезис поперечной магнитной восприимчивости ансамблей магнитных частиц имеет разные знаки для когерентной и веерной мод перемагничивания частиц, что позволяет экспериментально различать эти моды.
-
Переход от стенки Блоха к стенке Нееля при изменении внешнего поля носит гистерезисный характер. При этом для обоих типов стенок существуют интервалы значений внешнего поля, где они находятся в метастабильном состоянии.
Апробация работы: Основные результаты работы докладывались на III Всесоюзном совещании по физике магнитных жидкостей, на заседании секции "Ультрадисперсные среды" Совета АН СССР по проблеме "Физика, химия и механика поверхности", на III, IV и V Европейских конференциях по проблемам магнитной записи (MRM-87 n.MRM-90, Rimini, Italy, MRM-92, Parma, Italy), на Европейских конференциях по магнитным материалам и их приложениям (ЕММА-91, Dresden, Germany, и ЕММА-93, Stockholm, Sweden), на Международной конференции по магнетизму (International Conference on Magnetism ICM-91, Edinburgh, UK), на конференциях Европейской организации по сотрудничеству в области магнитной записи (CAMST) (CAMST-91, Enschede,
Netherland, CAMST-92, Keele, UK), на Международной конференции по физике конденсированного состояния (СММР-91, Birmingham, UK), на конференции Европейского физического общества по физике твердого тела (EPS-93, Regensburg, Germany), на семинарах в ИФТТ РАН, ИАЭ им. Курчатова, МГУ им. Ломоносова, ИХФЧ РАН, МИФИ и др.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из Введения, шести глав и Заключения, содержит 279 страниц печатного текста, включая список литературы из 274 наименований и 36 рисунков.
Личный вклад автора. Автору диссертации принадлежит выбор научного направления, постановка конкретных теоретических задач, определение метода решения, получение большинства основных результатов и их интерпретация. Теория среднего поля для квазистатических процессов перемаг-ничивания разработана в соавторстве с С.В.Мешковым, спектроскопические эксперименты на системах малых частиц выполнены совместно с Н.З.Сакиповым, задачи по структуре тонких магнитных пленок были поставлены совместно с проф. А.Хубертом.