単磁区（磁気）

磁気学において、単磁区とは、強磁性体（フェリ磁性を含む広義の用語）の状態を指し、磁石全体で磁化が変化しない。すべての磁場に対して単磁区状態を維持する磁性粒子は、単磁区粒子と呼ばれる（ただし、他の定義も可能。下記参照）。^[a]このような粒子は非常に小さい（通常、直径1マイクロメートル未満）。また、高い保磁力を持つため、多くの用途で非常に重要である。硬質磁石の硬度の主な源であり、テープドライブの磁気ストレージのキャリアであり、太古の地球の磁場を記録する最良の手段である（古地磁気学を参照）。

強磁性体の磁化に関する初期の理論では、強磁性体は磁区に分割され、磁化は磁壁の移動によって変化すると仮定されていた。しかし、1930年にはすでに、フレンケルとドルフマンは、十分に小さな粒子は1つの磁区しか保持できないと予測していたが、そのような粒子のサイズの上限を大幅に過大評価していた。^[1]単磁区粒子の可能性は、1940年代後半に次の2つの進歩が起こるまでほとんど注目されなかった。(1)チャールズ・キッテルとルイ・ネールによるサイズ上限の計算の改善、および(2) ストナーとヴォールファールトによる単磁区粒子系の磁化曲線の計算。^{[2] [3]}ストナー・ヴォールファールトモデルはその後の研究に多大な影響を与え、現在でも頻繁に引用されている。

初期の研究者は、単磁区粒子は複数の方法で定義できることを指摘した。 ^[4]おそらく最も一般的なのは、2つの状態間の遷移中も含め、ヒステリシスサイクル全体を通じて単磁区状態にある粒子として暗黙的に定義される。これは、ストナー・ヴォルファールトモデルによってモデル化されるタイプの粒子である。ただし、反転中を除いて単磁区状態にある可能性がある。飽和残留磁化が単磁区状態と一致する場合、粒子は単磁区であるとみなされることが多い。最近では、粒子の状態が磁場のある範囲では単磁区であり、その後連続的に非均一な状態に変化する可能性があることが判明した。^[5]

単一ドメイン粒子のもう 1 つの一般的な定義は、単一ドメイン状態がすべての可能な状態の中で最も低いエネルギーを持つというものです (以下を参照)。

粒子が単磁区状態にある場合、その内部磁化はすべて同じ方向を向いています。したがって、そのサイズと組成の粒子としては最大の磁気モーメントを持ちます。このモーメントの大きさは で、 は粒子の体積、は飽和磁化です。 ${\displaystyle \mu =VM_{s}}$${\displaystyle V}$${\displaystyle M_{s}}$

強磁性体のどの点の磁化も、回転によってのみ変化します。磁区が複数ある場合、1 つの磁区と隣の磁区の間の遷移には磁化の回転が伴い、磁壁が形成されます。磁壁は磁石内で容易に移動でき、保磁力は低くなります。対照的に、すべての磁場において単一磁区である粒子は、すべての磁化を 1 つの単位として回転させることによって状態が変化します。その結果、保磁力は大幅に大きくなります。

単磁区粒子のヒステリシスについて最も広く使用されている理論は、ストナー・ヴォールファールトモデルです。これは、一軸磁気結晶異方性を持つ粒子に適用されます。

実験的には、均一な試料では均一な温度で磁化の大きさは全体的に均一であるが、磁化の方向は一般に均一ではなく、顕微鏡による視覚観察に対応するスケールで領域ごとに異なることが観察されている。方向の均一性は、磁場を適用するか、試料としてそれ自体が微視的寸法である物体（微粒子）を選択することによってのみ達成される。^{[4]強磁性体が単磁区になるサイズ範囲は一般に非常に狭く、この方向での最初の定量的な結果は、}ウィリアム・フラー・ブラウン・ジュニアによるもので、彼は基礎論文^[6]で（マイクロマグネティクスの枠組み内で）厳密に証明したが、これは半径 の均一な球という特殊なケースにおいてである。これは今日ではブラウンの強磁性微粒子理論の基本定理として知られているものである。この定理は、臨界半径の存在を述べており、 の場合、自由エネルギーが最も低い状態は均一な磁化の状態である（つまり、球状の強磁性粒子がゼロ印加磁場でも均一に磁化されたままになる臨界サイズの存在）。 の下限は計算できる。 1988 年、Amikam A. Aharoni は[ ^7] Brown と同じ数学的推論を使用して、基本定理を長楕円体の場合に拡張した。 最近、^{[8] Brown の微細強磁性粒子に関する基本定理は、}一般楕円体の場合に厳密に拡張され、臨界直径（楕円体粒子が単一ドメインになる直径）の推定値が一般楕円体の減磁係数によって与えられた。 ^[9]最終的に、同じ結果が小さな楕円体粒子の準安定平衡にも当てはまることが示された。^[10]${\displaystyle r\,\!}$${\displaystyle r_{c}\,\!}$${\displaystyle r<r_{c}\,\!}$${\displaystyle r_{c}\,\!}$

純粋な単磁区粒子は（数学的には）いくつかの特殊な形状でのみ存在しますが、ほとんどの強磁性体では、粒子の直径が約25ナノメートルから80ナノメートルの間である場合に磁化の準均一性の状態が達成されます。^{[11] [b]サイズ範囲は、下側では}超常磁性への転移によって、上側では複数の磁区の形成によって制限されます。

熱揺らぎにより磁化はランダムに変化する。単磁区状態では、磁化モーメントが局所的な安定状態から大きく外れることはほとんどありません。エネルギー障壁 (活性化エネルギーも参照) により、磁化は 1 つの状態から別の状態へジャンプできません。ただし、エネルギー障壁が十分に小さくなると、磁化モーメントは状態から状態へジャンプする頻度が高まり、粒子は超常磁性になります。ジャンプの頻度はエネルギー障壁に強く指数関数的に依存しており、エネルギー障壁は体積に比例するため、遷移が発生する臨界体積が存在します。この体積は、ブロッキング温度が室温で の体積と考えることができます。

強磁性体のサイズが大きくなると、反磁場のために単磁区状態でのエネルギーコストが増大する。この磁場は磁石の全モーメントを減少させるように磁化を回転させる傾向があり、より大きな磁石では磁化は磁区に組織化される。反磁場エネルギーは交換相互作用のエネルギーとバランスが取れており、交換相互作用はスピンを一列に並べようとする傾向がある。バランスが反磁場に有利に傾き、多磁区状態が有利になる臨界サイズが存在する。単磁区状態の上限サイズの計算のほとんどは、この臨界サイズと同一視されている。^{[13] [14] [15]}