超常磁性

超常磁性は、小さな強磁性体またはフェリ磁性体のナノ粒子に現れる磁性の一種です。十分に小さなナノ粒子では、温度の影響で磁化の方向がランダムに反転することがあります。この反転間の典型的な時間をネール緩和時間と呼びます。外部磁場がない場合、ナノ粒子の磁化を測定する時間がネール緩和時間よりもはるかに長いと、その磁化は平均的にゼロに見えます。この状態を超常磁性状態といいます。この状態では、外部磁場によってナノ粒子を磁化することができます。これは常磁性体と同様です。ただし、ナノ粒子の磁化率は常磁性体の磁化率よりもはるかに大きくなります。

通常、強磁性体またはフェリ磁性体は、キュリー温度を超えると常磁性状態に相転移します。超常磁性は、この標準的な相転移とは異なり、物質のキュリー温度以下で発生します。

超常磁性は、単一磁区、すなわち単一の磁気ドメインからなるナノ粒子で発生します。これは、 材料にもよりますが、直径が3～50 nm以下の場合に可能です。この状態では、ナノ粒子の磁化は、ナノ粒子を構成する原子が持つ個々の磁気モーメントの総和である、単一の巨大な磁気モーメントであると考えられています。超常磁性の分野では、これを「マクロスピン近似」と呼んでいます。

ナノ粒子の磁気異方性のため、磁気モーメントは通常、互いに反平行な2つの安定な配向のみを持ち、それらはエネルギー障壁によって隔てられています。これらの安定な配向は、ナノ粒子のいわゆる「容易軸」を定義します。有限温度では、磁化が反転して方向が逆になる有限の確率が存在します。2回の反転間の平均時間は、ネール緩和時間と呼ばれます。$\displaystyle \tau _{\text{N}}$そして、次のネール・アレニウス式で与えられる。^{[ 1 ]}

$\displaystyle \tau _{\text{N}}=\tau _{0}\exp \left({\frac {KV}{k_{\text{B}}T}}\right)}$、

どこ：

• $\displaystyle \tau _{\text{N}}$したがって、これは熱ゆらぎの結果としてナノ粒子の磁化がランダムに反転するのにかかる平均時間である。
• $\tau_0$は、材料に固有の時間の長さで、試行時間または試行周期と呼ばれます（その逆数は試行頻度と呼ばれます）。その典型的な値は 10 ^{−9 秒}から 10 ⁻¹⁰秒の間です。
• Kはナノ粒子の磁気異方性エネルギー密度、Vはその体積である。したがって、KVは磁化が初期の容易軸方向から「硬面」を通って別の容易軸方向へ移動する際に生じるエネルギー障壁である。
• k _Bはボルツマン定数です。
• Tは温度です。

この時間の長さは、数ナノ秒から数年、あるいはそれ以上まで様々です。特に、ネール緩和時間は粒子の体積の指数関数であることが分かります。これが、バルク材料や大きなナノ粒子では反転確率が急速に無視できるほど小さくなる理由です。

超常磁性ナノ粒子の集合体に外部磁場Hを印加すると、それらの磁気モーメントは印加磁場に沿って整列する傾向があり、正味の磁化が生じます。集合体の磁化曲線、すなわち印加磁場の関数としての磁化は、可逆的なS字型の増加関数です。この関数は非常に複雑ですが、いくつかの単純なケースでは次のようになります。

1. すべての粒子が同一（同じエネルギー障壁と磁気モーメント）で、容易軸がすべて印加磁場と平行に配向し、温度が十分に低い場合（T _B < T ≲ KV /(10 k _B )）、集合体の磁化は次のようになる。

   ${\displaystyle M(H)\approx n\mu \tanh \left({\frac {\mu _{0}H\mu }{k_{\text{B}}T}}\right)}$。

2. すべての粒子が同一であり、温度が十分に高い場合（T ≳ KV / k _B）、容易軸の向きに関係なく、次のようになります。

   ${\displaystyle M(H)\approx n\mu L\left({\frac {\mu _{0}H\mu }{k_{\text{B}}T}}\right)}$

上記の式において：

• nは試料中のナノ粒子の密度である。
• $\mu_0$は真空の透磁率である。
• ${\textstyle \mu }$はナノ粒子の磁気モーメントである。
• ${\textstyle L(x)={\frac {1}{\tanh(x)}}-{\frac {1}{x}}}$ランジュバン関数

初期勾配${\displaystyle M(H)}$関数は試料の磁化率である${\displaystyle \chi }$:

${\displaystyle \chi ={\begin{cases}\displaystyle {\frac {n\mu _{0}\mu ^{2}}{k_{\text{B}}T}}&{\text{第1の場合}}\\\displaystyle {\frac {n\mu _{0}\mu ^{2}}{3k_{\text{B}}T}}&{\text{第2の場合}}\end{cases}}}$

後者の感受性は、あらゆる温度において有効である。${\displaystyle T>T_{\text{B}}}$ナノ粒子の容易軸がランダムな方向に配向している場合。

これらの式から、大きなナノ粒子ほどμが大きく、したがって磁化率も大きくなることがわかる。これが、超常磁性ナノ粒子が通常の常磁性体よりもはるかに大きな磁化率を持つ理由である。つまり、超常磁性ナノ粒子は巨大な磁気モーメントを持つ常磁性体と全く同じように振る舞うのである。

超常磁性システムは交流磁化率測定によって測定できます。交流磁化率測定では、印加磁場が時間とともに変化し、システムの磁気応答が測定されます。超常磁性システムは特徴的な周波数依存性を示します。周波数が 1/τ _{Nよりはるかに高い場合、周波数が 1/τ N}よりはるかに低い場合とは異なる磁気応答が得られます。これは、後者の場合、強磁性クラスターが磁化を反転させることで磁場に応答する時間があるのに対し、前者の場合はそうではないためです。^{[ 4 ]}正確な依存性は、隣接するクラスターが互いに独立して振る舞うと仮定して、ネール・アレニウス式から計算できます（クラスターが相互作用する場合、その振る舞いはより複雑になります）。また、可視波長域で酸化鉄ナノ粒子などの磁気光学活性超常磁性材料を用いて磁気光学交流磁化率測定を行うことも可能です。^{[ 5 ]}

超常磁性は、使用可能な粒子の最小サイズによって、ハードディスクドライブの記憶密度に限界を設ける。この面密度の限界は、超常磁性限界として知られている。

• 古いハードディスク技術は縦方向の記録方式を採用している。その限界は推定で100～200ギガビット/^平方インチである。^{[ 6 ]}
• 現在のハードディスク技術は垂直磁気記録方式を採用している。2020年7月現在 約 1 Tbit/in ²の密度を持つドライブが市販されている。^{[ 7 ]}これは、1999 年に予測された従来の磁気記録の限界である。^{[ 8 ] [ 9 ]}
• 現在開発中の将来のハードディスク技術には、より小さなサイズでも安定した材料を使用する熱アシスト磁気記録（HAMR）とマイクロ波アシスト磁気記録（MAMR）があります。 ^{[ 10 ]}これらは、ビットの磁気方向を変更する前に、局所的な加熱またはマイクロ波励起が必要です。ビットパターン記録（BPR）は、微細粒メディアの使用を回避し、別の可能性となります。^{[ 11 ]}さらに、スカイミオンとして知られる磁化のトポロジカル歪みに基づく磁気記録技術も提案されています。^{[ 12 ]}

• 酸化鉄ナノ粒子
• 単分子磁石

• コバルトフェライトナノ粒子の超常磁性
• 超常磁性に関するPowerPointプレゼンテーション（PDF形式）は、Wayback Machineに2008年12月3日にアーカイブされています。