Команда исследователей Сибирского федерального университета, Института физики имени Л. В. Киренского СО РАН и Сибирского университета науки и технологий изучила магнитный гистерезис в наногранулированных композитах. Результаты проведенного микромагнитного моделирования, которые можно применить в электротехнике и при создании новых функциональных элементов для информационных технологий, опубликованы в Journal of Magnetism and Magnetic Materials.

Исследования поддержаны Российским фондом фундаментальных исследований и Красноярским краевым фондом поддержки научной и научно-технической деятельности.

Магнитные материалы на основе наночастиц (магнитные коллоиды, наногранулированные материалы) используются в биомедицине, экологии, катализе и наноэлектронике. Сферу применения материала определяет петля магнитного гистерезиса, которая отражает особое свойство некоторых физических систем. Такие системы не сразу реагируют на приложенные силы — на их ответ влияют силы, приложенные ранее, то есть эти системы зависят от собственной истории. Гистерезис индивидуальной магнитной наночастицы к настоящему моменту хорошо изучен.

Для больших массивов частиц принимаются во внимание эффекты межчастичных взаимодействий. Одно из основных — магнитное диполь-дипольное взаимодействие. С увеличением расстояния между частицами оно убывает достаточно медленно, поэтому магнитный гистерезис будет зависеть от объемной доли частиц. Детальный микромагнитный расчет этой зависимости выполнили для наночастиц, хаотически распределенных на плоскости, при этом средняя плотность частиц различалась.

Петля гистерезиса — зависимость намагниченности образца от напряженности приложенного поля / Источник: Оксана Ли, доцент кафедры физики Сибирского федерального университета

Также была учтена случайная ориентация осей легкого намагничивания частиц (это направление в ферро- или ферримагнетике, вдоль которого намагничивание образца до предельных значений происходит легче всего). Это соответствует условиям стандартных магнитометрических исследований порошков и некоторых приложений (частиц, распределенных в немагнитных матрицах).

Петля гистерезиса — зависимость намагниченности образца от напряженности приложенного поля / Источник: Оксана Ли, доцент кафедры физики Сибирского федерального университета

Оказалось, диполь-дипольное взаимодействие изменяет зависимость коэрцитивной силы (напряженности магнитного поля, необходимой для полного размагничивания образца) от объемной концентрации частиц — от нелинейной монотонной до зависимости с максимумом. Это изменение определяется соотношением энергии магнитной анизотропии индивидуальной частицы (зависимости ее магнитных свойств от выбранного направления в образце) и удельной дипольной энергии.

«Рассмотренная модель хорошо описывает наногранулированные пленки, имеющие перспективы применения в магнитных датчиках, магнитных экранах и элементах магнитооптической памяти. Важно, что магнитные свойства пленок зависят от соотношения магнитной и немагнитной фазы. Проведенные расчеты позволяют подобрать концентрацию частиц, оптимальную для достижения необходимого уровня магнитного гистерезиса», — рассказывает Оксана Ли, доцент кафедры физики Сибирского федерального университета.

Гранулированные пленки с нанометровыми магнитными гранулами относятся к функциональным материалам. Их используют в радиоэлектронике, высокочастотных устройствах микроэлектроники, вычислительной технике, при создании беспроводных сетей, где они увеличивают скорость передачи данных. Свойства гранулированных сред зависят от доли магнитных гранул: они обладают большой намагниченностью насыщения, высоким электрическим сопротивлением и исключительно широким диапазоном магнитной проницаемости.