Superparamagnétisme
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Le terme Superparamagnétisme est le nom donné à un effet physique qui caractérise le comportement d'un ensemble de particules ferromagnétiques monodomaines lorsque la température est supérieure à une certaine température de blocage.
Sommaire |
[modifier] Découverte du superparamagnétisme
Lorsque les dimensions d'une particule atteignent l'échelle du nanomètre, à l'instar du mouvement Brownien, les effets de la température et du temps sur le moment de la particule deviennent cruciaux. Louis Néel a dévoilé ces effets, ce qui l'a conduit aux notions très importantes de superparamagnétisme, de température de blocage,.... L'expression du temps de relaxation en fonction du champ appliqué, donnée par Néel dès 1949 et connue sous le nom de loi de Néel-Brown, est toujours d'actualité, notamment en raison des applications actuelles du nanomagnétisme. Malgré son importance et les tentatives effectuées depuis une cinquantaine d'année, cette loi n'a pu être vérifiée que très récemment.
[modifier] Phénomène physique : l'origine du superparamagnétisme
En dessous d'un rayon critique de l'ordre du nanomètre, les structures ferromagnétiques sont définies par un seul domaine de Weiss. La particule monodomaine possède un macrospin (somme des moments magnétiques des atomes qui la constituent), qui, à l'instar d'un moment paramagnétique interagit avec le champ externe ou le réseau de moments et fluctue sous l'agitation thermique.
[modifier] Principe général
Matériau ferromagnétique (état magnétique ordonné) + Particules magnétique de petite taille (taille < domaine de Weiss (dépend du matériau), quelques nanomètres) + Perturbations de l'énergie thermique => Etat magnétique désordonné (équivalent au paramagnétisme).
[modifier] Conditions :
- Une matrice solide maintient en place les particules magnétiques
- KV < kT,
où:
* K: constante d'anisotropie, f(nature du matériau, forme du grain),
ex: Fer= 5x10^4 J/m3,
ex: Cobalt alpha= 43x10^4 J/m3,
ex: Cobalt epsilon= 2.5x10^4 J/m3,
* V: volume de grain,
* k: constante de Boltzman,
* T: température thermodynamique
- Température de blocage (#KV/25k) < Température < Température de Curie
[modifier] Effets :
- réduction de la taille des particules => réduction de la température de transition entre ferromagnétisme et superparamagnétisme,
- aimantation = f(champ), pas de saturation, pas de coercivité,
- effet superparamagnétique recherché (application) : agent de contraste pour IRM,
- effet superparamagnétique à éviter (limitation) : mémoire magnétique (disque dur, mémoire flash)
[modifier] Système considéré
Considérons que nous travaillons avec un certain nombre de particules ferromagnétiques suffisamment petites pour être monodomaines, et qui ont une structure cristallographique hexagonale compacte (hcp) qui leur confère un axe unique de facile aimantation.
Considérons maintenant une seule de ces particules.
[modifier] Contributions énergétiques et équilibre thermodynamique
Tant que la température est inférieure à la température de Curie, cette particule possède donc un moment magnétique (également appelé aimantation, ou macrospin) non nul en l'absence d'un champ magnétique appliqué.
L'aimantation de cette nanoparticule voit sa direction orientée en fonction des différentes énergies auxquelles elle est soumise, ainsi qu'aux champs magnétiques externes (et donc aux interactions inter-particulaires). Pour le traitement présent, seuls les contributions internes à la particule ainsi que l'agitation thermique nous intéressent :
- Énergie d'anisotropie magnéto-cristalline : elle est due au couplage spin-orbite qui interagit avec le réseau cristallin. Dans le cas d'un cristal uniaxe, et en l'absence d'autres contributions, l'aimantation a donc uniquement 2 possibilités d'orientation stables.
- Énergie d'agitation thermique :
[modifier] Concept de température de blocage
[modifier] Corrélation avec le paramagnétisme ?
[modifier] Mise en évidence et défis actuels
[modifier] Field Cooling / Zero Field Cooling
[modifier] Stockage d'information
Pour des nanostructures composées d'éléments ferromagnétiques (Fe, Co, Ni) on observe une transition d'un état ferromagnétique (basse température) vers un état superparamagnétique (température plus élevée). Cette transition est caractérisée par une température de blocage Tb. Si T<Tb l'état est ferromagnétique et donc l'aimantation de la nanostructure peut servir à stocker une information (bit 1 = aimantation dans un sens, bit 0 = aimantation dans l'autre sens). En revanche si T>Tb alors l'énergie apportée par la température (kBT avec kB la constante de Boltzmann) fait fluctuer la direction de l'aimantation, l'information magnétique n'est alors plus stockée. Dans le domaine du stockage magnétique de l'information, on cherche à diminuer la taille des entités élémentaires stockant l'information magnétique pour obtenir des hautes densité d'enregistrement, mais plus la taille de ces objets diminue, plus la température de blocage diminue. Une solution pour augmenter la température de blocage est d'utiliser des matériaux possédant une forte anisotropie magnétocristalline. Les densité d'enregistrement envisagée sont de l'ordre du Tbit/cm².
