Domaine unique (magnétique) - Single domain (magnetic)

Le domaine unique , en magnétisme , fait référence à l'état d'un ferromagnétique dans lequel l' aimantation ne varie pas à travers l'aimant. Une particule magnétique qui reste dans un état de domaine unique pour tous les champs magnétiques est appelée une particule de domaine unique (mais d'autres définitions sont possibles ; voir ci-dessous). Ces particules sont très petites (généralement moins d'un micromètre de diamètre). Ils sont également très importants dans de nombreuses applications car ils ont une coercitivité élevée . Ils sont la principale source de dureté dans les aimants durs , les supports de stockage magnétique dans les lecteurs de bande et les meilleurs enregistreurs du champ magnétique de l'ancienne Terre (voir paléomagnétisme ).

Histoire

Les premières théories de l' aimantation dans les ferroaimants supposaient que les ferroaimants sont divisés en domaines magnétiques et que l'aimantation est modifiée par le mouvement des parois du domaine . Cependant, dès 1930, Frenkel et Dorfman ont prédit que des particules suffisamment petites ne pouvaient contenir qu'un seul domaine, bien qu'ils aient largement surestimé la limite de taille supérieure pour de telles particules. La possibilité de particules à domaine unique a reçu peu d'attention jusqu'à deux développements à la fin des années 1940 : (1) des calculs améliorés de la limite de taille supérieure par Charles Kittel et Louis Néel , et (2) un calcul des courbes d'aimantation pour les systèmes de domaine unique particules par Stoner et Wohlfarth. Le modèle Stoner-Wohlfarth a eu une influence énorme dans les travaux ultérieurs et est encore fréquemment cité.

Définitions d'une particule à domaine unique

Les premiers chercheurs ont souligné qu'une particule à domaine unique pouvait être définie de plusieurs manières. Peut-être le plus souvent, il est implicitement défini comme une particule qui est dans un état à domaine unique tout au long du cycle d'hystérésis, y compris pendant la transition entre deux de ces états. C'est le type de particule qui est modélisé par le modèle Stoner-Wohlfarth . Cependant, il peut être dans un état de domaine unique, sauf pendant l'inversion. Souvent, les particules sont considérées comme à domaine unique si leur rémanence de saturation est cohérente avec l'état à domaine unique. Plus récemment, on s'est rendu compte que l'état d'une particule pouvait être à domaine unique pour une certaine gamme de champs magnétiques, puis changer continuellement en un état non uniforme.

Une autre définition commune de particule à domaine unique est celle dans laquelle l'état à domaine unique a l'énergie la plus faible de tous les états possibles (voir ci-dessous).

Hystérésis à domaine unique

Si une particule est dans l'état de domaine unique, toute son magnétisation interne est dirigée dans la même direction. Il a donc le plus grand moment magnétique possible pour une particule de cette taille et de cette composition. L'amplitude de ce moment est , où est le volume de la particule et est l' aimantation de saturation . ${\displaystyle \mu =VM_{s}}$${\style d'affichage V}$${\displaystyle M_{s}}$

L'aimantation en tout point d'un ferromagnétique ne peut changer que par rotation. S'il y a plus d'un domaine magnétique , la transition entre un domaine et son voisin implique une rotation de l'aimantation pour former une paroi de domaine . Les murs de domaine se déplacent facilement à l'intérieur de l'aimant et ont une faible coercivité . En revanche, une particule à domaine unique dans tous les champs magnétiques change d'état par rotation de toute l'aimantation en tant qu'unité. Il en résulte une coercivité beaucoup plus grande .

La théorie la plus largement utilisée pour l'hystérésis dans les particules à domaine unique est le modèle de Stoner-Wohlfarth . Ceci s'applique à une particule à anisotropie magnétocristalline uniaxiale .

Limites de la taille d'un domaine unique

Expérimentalement, on observe que bien que l'amplitude de l'aimantation soit uniforme dans tout un échantillon homogène à température uniforme, la direction de l'aimantation n'est en général pas uniforme, mais varie d'une région à l'autre, sur une échelle correspondant à des observations visuelles avec un microscope. L'uniformité de direction n'est atteinte qu'en appliquant un champ, ou en choisissant comme échantillon, un corps qui est lui-même de dimensions microscopiques (une fine particule ). La gamme de tailles pour laquelle un ferromagnétique devient monodomaine est généralement assez étroite et un premier résultat quantitatif dans ce sens est dû à William Fuller Brown, Jr. qui, dans son article fondamental, a rigoureusement prouvé (dans le cadre de Micromagnetics ), bien que dans le cas particulier d'une sphère homogène de rayon , ce qu'on appelle aujourd'hui le théorème fondamental de Brown de la théorie des fines particules ferromagnétiques . Ce théorème énonce l'existence d'un rayon critique tel que l'état d'énergie libre la plus faible est un état d'aimantation uniforme si (c'est-à-dire l'existence d'une taille critique sous laquelle les particules ferromagnétiques sphériques restent uniformément magnétisées dans un champ appliqué nul). Une borne inférieure pour peut alors être calculée. En 1988, Amikam A. Aharoni , en utilisant le même raisonnement mathématique que Brown, a pu étendre le théorème fondamental au cas d'un sphéroïde allongé . Récemment, le théorème fondamental de Brown sur les fines particules ferromagnétiques a été rigoureusement étendu au cas d'un ellipsoïde général , et une estimation du diamètre critique (sous lequel la particule ellipsoïdale devient un domaine unique) a été donnée en termes de facteurs de démagnétisation du général ellipsoïde. Finalement, le même résultat s'est avéré vrai pour les équilibres métastables dans les petites particules ellipsoïdales. ${\style d'affichage r\,\!}$${\style d'affichage r_{c}\,\!}$${\style d'affichage r<r_{c}\,\!}$${\style d'affichage r_{c}\,\!}$

Bien que les particules pures à domaine unique (mathématiquement) existent uniquement pour certaines géométries spéciales, pour la plupart des ferroaimants, un état de quasi-uniformité d'aimantation est atteint lorsque le diamètre de la particule est compris entre environ 25 nanomètres et 80 nanomètres. La gamme de tailles est limitée en bas par la transition vers le superparamagnétisme et au-dessus par la formation de domaines magnétiques multiples .

Limite inférieure : superparamagnétisme

Les fluctuations thermiques provoquent un changement aléatoire de l' aimantation . Dans l'état à domaine unique, le moment s'éloigne rarement de l'état stable local. Les barrières énergétiques (voir aussi l'énergie d'activation ) empêchent l'aimantation de sauter d'un état à un autre. Cependant, si la barrière d'énergie devient suffisamment petite, le moment peut sauter d'un état à l'autre assez fréquemment pour rendre la particule superparamagnétique . La fréquence des sauts a une forte dépendance exponentielle à la barrière énergétique, et la barrière énergétique est proportionnelle au volume, il existe donc un volume critique auquel la transition se produit. Ce volume peut être considéré comme le volume auquel la température de blocage est à température ambiante.

Limite supérieure : transition vers plusieurs domaines

À mesure que la taille d'un ferromagnétique augmente, l'état à domaine unique entraîne un coût énergétique croissant en raison du champ démagnétisant . Ce champ a tendance à faire tourner l'aimantation d'une manière qui réduit le moment total de l'aimant, et dans les aimants plus grands, l'aimantation est organisée en domaines magnétiques . L'énergie de démagnétisation est équilibrée par l'énergie de l' interaction d'échange , qui tend à maintenir les spins alignés. Il existe une taille critique pour laquelle la balance penche en faveur du champ démagnétisant et l' état multidomaine est favorisé. La plupart des calculs de la limite de taille supérieure pour l'état à domaine unique l'identifient à cette taille critique.

Remarques

Les références