磁気異方性

凝縮物質物理学において、磁気異方性は、物体の磁気特性が方向によってどのように異なるかを表します。最も単純なケースでは、物体の磁気モーメントに優先方向はありません。物体は、どの方向に磁場が適用されたかに関係なく、適用された磁場に同じように反応します。これは磁気等方性として知られています。対照的に、磁気異方性材料は、物体がどの方向に回転するかによって、磁化が容易になったり困難になったりします。

ほとんどの磁気異方性材料では、材料を磁化させるのが最も簡単な 2 つの方向があり、それらは 180° 回転離れています。これらの方向に平行な線は、容易軸と呼ばれます。言い換えると、容易軸は、自発磁化のエネルギー的に好ましい方向です。容易軸に沿った 2 つの反対方向は、通常、同じように磁化しやすいため、実際の磁化方向はどちらの方向にも同じように簡単に落ち着く可能性があり、これは自発的対称性の破れの一例です。

磁気異方性は強磁性体のヒステリシスの前提条件であり、これがなければ強磁性体は超常磁性体となる。^[1]

物体に観測される磁気異方性は、いくつかの異なる理由で発生する可能性があります。単一の原因ではなく、特定の物体の全体的な磁気異方性は、これらのさまざまな要因の組み合わせによって説明されることがよくあります。^[2]

磁気結晶異方性

結晶の原子構造は磁化の優先方向を導入します。

形状異方性

粒子が完全に球形でない場合、消磁場はすべての方向に対して等しくならず、1 つ以上の容易軸が生成されます。

磁気弾性異方性

張力により磁気挙動が変化し、磁気異方性が生じる可能性があります。

交換異方性

反強磁性体と強磁性体が相互作用するときに発生します。^[3]

図には、ベンゼン環 (A)、アルケン(B)、カルボニル(C)、アルキン(D)、およびより複雑な分子 (E)の磁気異方性が示されている。これらの不飽和官能基 (AD) はそれぞれ小さな磁場を生成するため、遮蔽効果と化学シフトが異常な局所異方性領域 (円錐として表示) がいくつか生成される。ビスアゾ化合物 (E) は、指定されたプロトン {H} が、アゾ基の光異性化状態に応じて異なる化学シフトで出現する可能性があることを示す。^[4]トランス異性体は、プロトン {H} をベンゼン環の円錐から遠くに保持するため、磁気異方性は存在しない。一方、シス形は、プロトン {H} を円錐の近くに保持し、それを遮蔽して化学シフトを減少させる。^[4]この現象により、以前に存在していたもの (青で表示) に加えて、新しい一連の核オーバーハウザー効果(NOE) 相互作用 (赤で表示) が存在するようになる。

強磁性体が厳密な意味で単磁区であると仮定します。つまり、磁化は均一で、同時に回転します。磁気モーメントが で、粒子の体積が の場合、磁化は です。ここでは飽和磁化、は方向余弦（単位ベクトルの成分）なので です。磁気異方性に関連するエネルギーは、さまざまな方法で方向余弦に依存しますが、最も一般的なものを以下で説明します。 ${\displaystyle {\boldsymbol {\mu }}}$${\displaystyle V}$${\displaystyle \mathbf {M} ={\boldsymbol {\mu}}/V=M_{s}\left(\alpha,\beta,\gamma\right)}$${\displaystyle M_{s}}$${\displaystyle \alpha,\beta,\gamma}$${\displaystyle \alpha^{2}+\beta^{2}+\gamma^{2}=1}$

一軸異方性を持つ磁性粒子には 1 つの容易軸があります。容易軸が方向にある場合、異方性エネルギーは次のいずれかの形式で表すことができます。 ${\displaystyle z}$

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

ここで、は体積、は異方性定数、 は容易軸と粒子の磁化の間の角度です。形状異方性が明示的に考慮される場合、の代わりに 記号が異方性定数を示すのによく使用されます。広く使用されているストナー・ヴォールファールト モデルでは、異方性は一軸です。 ${\displaystyle V}$${\displaystyle K}$${\displaystyle \theta}$${\displaystyle {\mathcal {N}}}$${\displaystyle K}$

三軸異方性を持つ磁性粒子は、依然として単一の容易軸を持ちますが、困難軸（最大エネルギーの方向）と中間軸（エネルギーの鞍点に関連する方向）も持っています。座標は、エネルギーが次の形式になるように選択できます。

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

容易軸が方向である場合、中間軸は方向であり、困難軸は方向である。^[5]${\displaystyle K_{a}>K_{b}>0,}$${\displaystyle z}$${\displaystyle y}$${\displaystyle x}$

立方異方性を持つ磁性粒子は、異方性パラメータに応じて3つまたは4つの容易軸を持ちます。エネルギーは次の形式になります。

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

容易軸が 軸と軸である場合。によって特徴付けられる容易軸が 4 つある場合。 ${\displaystyle K>0,}$${\displaystyle x,y,}$${\displaystyle z}$${\displaystyle K<0,}$${\displaystyle x=\pm y=\pm z}$

• 蛍光異方性