Un dominio magnético es una región dentro de un material magnético en la que la magnetización está en una dirección uniforme. Esto significa que los momentos magnéticos individuales de los átomos están alineados entre sí y apuntan en la misma dirección. Cuando se enfría por debajo de una temperatura llamada temperatura de Curie , la magnetización de una pieza de material ferromagnético se divide espontáneamente en muchas regiones pequeñas llamadas dominios magnéticos. La magnetización dentro de cada dominio apunta en una dirección uniforme, pero la magnetización de diferentes dominios puede apuntar en diferentes direcciones. La estructura del dominio magnético es responsable del comportamiento magnético de los materiales ferromagnéticos como el hierro , el níquel , el cobalto y sus aleaciones , y los materiales ferromagnéticos como la ferrita . Esto incluye la formación de imanes permanentes y la atracción de materiales ferromagnéticos a un campo magnético. Las regiones que separan los dominios magnéticos se denominan paredes de dominio , donde la magnetización gira coherentemente desde la dirección en un dominio a la del siguiente dominio. El estudio de los dominios magnéticos se llama micromagnetismo .
Los dominios magnéticos se forman en materiales que tienen ordenamiento magnético , es decir, sus dipolos se alinean espontáneamente debido a la interacción de intercambio . Estos son los materiales ferromagnéticos , ferromagnéticos y antiferromagnéticos . Los materiales paramagnéticos y diamagnéticos , en los que los dipolos se alinean en respuesta a un campo externo pero no se alinean espontáneamente, no tienen dominios magnéticos.
La teoría del dominio magnético fue desarrollada por el físico francés Pierre-Ernest Weiss [1] quien, en 1906, sugirió la existencia de dominios magnéticos en ferroimanes. [2] Sugirió que un gran número de momentos magnéticos atómicos (típicamente 10 12 -10 18 ) [ cita requerida ] estaban alineados en paralelo. La dirección de alineación varía de un dominio a otro de una manera más o menos aleatoria, aunque ciertos ejes cristalográficos pueden ser preferidos por los momentos magnéticos, llamados ejes fáciles. Weiss todavía tenía que explicar la razón de la alineación espontánea de los momentos atómicos dentro de un material ferromagnético , y se le ocurrió el llamado campo medio de Weiss. Supuso que un momento magnético dado en un material experimentaba un campo magnético efectivo muy alto H e debido a la magnetización de sus vecinos. En la teoría original de Weiss, el campo medio era proporcional a la magnetización en masa M , de modo que donde es la constante del campo medio. Sin embargo, esto no es aplicable a los ferroimanes debido a la variación de la magnetización de un dominio a otro. En este caso, el campo de interacción es donde es la magnetización de saturación a 0 K.
Más tarde, la teoría cuántica permitió comprender el origen microscópico del campo de Weiss. La interacción de intercambio entre espines localizados favoreció un estado paralelo (en los ferroimanes) o antiparalelo (en los antiferroimanes) de momentos magnéticos vecinos .
La razón por la que un trozo de material magnético como el hierro se divide espontáneamente en dominios separados, en lugar de existir en un estado con magnetización en la misma dirección en todo el material, es minimizar su energía interna. [3] Una gran región de material ferromagnético con una magnetización constante en toda su extensión creará un gran campo magnético que se extenderá al espacio exterior de sí mismo (diagrama a) . Esto requiere una gran cantidad de energía magnetostática almacenada en el campo. Para reducir esta energía, la muestra puede dividirse en dos dominios, con la magnetización en direcciones opuestas en cada dominio (diagrama b) . Las líneas de campo magnético pasan en bucles en direcciones opuestas a través de cada dominio, reduciendo el campo fuera del material. Para reducir aún más la energía del campo, cada uno de estos dominios también puede dividirse, lo que da como resultado dominios paralelos más pequeños con magnetización en direcciones alternas, con cantidades menores de campo fuera del material.
La estructura de dominios de los materiales magnéticos reales no suele formarse mediante el proceso de división de dominios grandes en otros más pequeños, como se describe aquí. Cuando una muestra se enfría por debajo de la temperatura de Curie, por ejemplo, simplemente aparece la configuración de dominios en equilibrio. Pero los dominios pueden dividirse, y la descripción de la división de dominios se utiliza a menudo para revelar las compensaciones de energía en la formación de dominios.
Como se explicó anteriormente, un dominio demasiado grande es inestable y se dividirá en dominios más pequeños. Pero un dominio lo suficientemente pequeño será estable y no se dividirá, y esto determina el tamaño de los dominios creados en un material. Este tamaño depende del equilibrio de varias energías dentro del material. [3] Cada vez que una región de magnetización se divide en dos dominios, crea una pared de dominio entre los dominios, donde los dipolos magnéticos (moléculas) con magnetización apuntando en diferentes direcciones son adyacentes. La interacción de intercambio que crea la magnetización es una fuerza que tiende a alinear los dipolos cercanos para que apunten en la misma dirección. Forzar a los dipolos adyacentes a apuntar en diferentes direcciones requiere energía. Por lo tanto, una pared de dominio requiere energía adicional, llamada energía de pared de dominio , que es proporcional al área de la pared.
Por lo tanto, la cantidad neta de energía que se reduce cuando un dominio se divide es igual a la diferencia entre la energía del campo magnético ahorrada y la energía adicional requerida para crear la pared del dominio. La energía del campo es proporcional al cubo del tamaño del dominio, mientras que la energía de la pared del dominio es proporcional al cuadrado del tamaño del dominio. Por lo tanto, a medida que los dominios se hacen más pequeños, la energía neta ahorrada por la división disminuye. Los dominios siguen dividiéndose en dominios más pequeños hasta que el costo de energía de crear una pared de dominio adicional es exactamente igual a la energía del campo ahorrada. Luego, los dominios de este tamaño son estables. En la mayoría de los materiales, los dominios son de tamaño microscópico, alrededor de 10 −4 - 10 −6 m. [4] [5] [6]
Una forma adicional para que el material reduzca aún más su energía magnetostática es formar dominios con magnetización en ángulos rectos a los otros dominios (diagrama c) , en lugar de solo en direcciones paralelas opuestas. [3] Estos dominios, llamados dominios de cierre de flujo , permiten que las líneas de campo giren 180° dentro del material, formando bucles cerrados completamente dentro del material, reduciendo la energía magnetostática a cero. Sin embargo, la formación de estos dominios incurre en dos costos de energía adicionales. Primero, la red cristalina de la mayoría de los materiales magnéticos tiene anisotropía magnética , lo que significa que tiene una dirección "fácil" de magnetización, paralela a uno de los ejes del cristal. Cambiar la magnetización del material a cualquier otra dirección requiere energía adicional, llamada " energía de anisotropía magnetocristalina ".
El otro coste energético que supone crear dominios con magnetización en ángulo con respecto a la dirección "fácil" es causado por el fenómeno denominado magnetostricción . [3] Cuando la magnetización de una pieza de material magnético se cambia a una dirección diferente, se produce un ligero cambio en su forma. El cambio en el campo magnético hace que las moléculas del dipolo magnético cambien ligeramente de forma, haciendo que la red cristalina sea más larga en una dimensión y más corta en otras dimensiones. Sin embargo, dado que el dominio magnético está "aplastado" con sus límites mantenidos rígidos por el material circundante, en realidad no puede cambiar de forma. Por lo tanto, cambiar la dirección de la magnetización induce pequeñas tensiones mecánicas en el material, lo que requiere más energía para crear el dominio. Esto se denomina " energía de anisotropía magnetoelástica ".
Para formar estos dominios de cierre con magnetización "lateral" se requiere energía adicional debido a los dos factores antes mencionados. Por lo tanto, los dominios de cierre de flujo solo se formarán donde la energía magnetostática ahorrada sea mayor que la suma de la "energía de intercambio" para crear la pared del dominio, la energía de anisotropía magnetocristalina y la energía de anisotropía magnetoelástica. Por lo tanto, la mayor parte del volumen del material está ocupado por dominios con magnetización "hacia arriba" o "hacia abajo" a lo largo de la dirección "fácil", y los dominios de cierre de flujo solo se forman en pequeñas áreas en los bordes de los otros dominios donde son necesarios para proporcionar un camino para que las líneas de campo magnético cambien de dirección (diagrama c, arriba) .
Lo anterior describe la estructura del dominio magnético en una red cristalina perfecta, como la que se encontraría en un monocristal de hierro. Sin embargo, la mayoría de los materiales magnéticos son policristalinos , compuestos de granos cristalinos microscópicos. Estos granos no son lo mismo que los dominios. Cada grano es un pequeño cristal, con las redes cristalinas de los granos separados orientadas en direcciones aleatorias. En la mayoría de los materiales, cada grano es lo suficientemente grande como para contener varios dominios. Cada cristal tiene un eje de magnetización "fácil" y se divide en dominios con el eje de magnetización paralelo a este eje, en direcciones alternas.
De la discusión anterior se desprende que, aunque a escala microscópica casi todos los dipolos magnéticos de una pieza de material ferromagnético están alineados en paralelo a sus vecinos en los dominios, creando fuertes campos magnéticos locales , la minimización de la energía da como resultado una estructura de dominio que minimiza el campo magnético a gran escala . En su estado de energía más bajo, la magnetización de los dominios vecinos apunta en direcciones diferentes, confinando las líneas de campo a bucles microscópicos entre dominios vecinos dentro del material, por lo que los campos combinados se cancelan a distancia. Por lo tanto, una pieza de material ferromagnético en su estado de energía más bajo tiene poco o ningún campo magnético externo. Se dice que el material está "no magnetizado".
Sin embargo, los dominios también pueden existir en otras configuraciones en las que su magnetización apunta mayoritariamente en la misma dirección, creando un campo magnético externo. Aunque no se trata de configuraciones de energía mínima, debido a un fenómeno en el que las paredes del dominio quedan "fijadas" a defectos en la red cristalina pueden ser mínimos locales de la energía y, por lo tanto, pueden ser muy estables. La aplicación de un campo magnético externo al material puede hacer que las paredes del dominio se muevan, lo que hace que los dominios alineados con el campo crezcan y los dominios opuestos se encojan. Cuando se elimina el campo externo, las paredes del dominio permanecen fijadas en su nueva orientación y los dominios alineados producen un campo magnético. Esto es lo que sucede cuando un trozo de material ferromagnético se "magnetiza" y se convierte en un imán permanente .
Calentar un imán, someterlo a vibración martillándolo o aplicarle un campo magnético que oscila rápidamente desde una bobina desmagnetizadora , tiende a liberar las paredes del dominio de sus estados fijados y volverán a una configuración de menor energía con menos campo magnético externo, " desmagnetizando " así el material.
Las contribuciones de los diferentes factores de energía interna descritos anteriormente se expresan mediante la ecuación de energía libre propuesta por Lev Landau y Evgeny Lifshitz en 1935, [7] que forma la base de la teoría moderna de los dominios magnéticos. La estructura de dominio de un material es la que minimiza la energía libre de Gibbs del material. Para un cristal de material magnético, esta es la energía libre de Landau-Lifshitz, E , que es la suma de estos términos de energía: [8]
dónde
Algunas fuentes definen una energía de pared E W igual a la suma de la energía de intercambio y la energía de anisotropía magnetocristalina, que reemplaza a E ex y E k en la ecuación anterior.
Una estructura de dominio estable es una función de magnetización M ( x ), considerada como un campo vectorial continuo , que minimiza la energía total E en todo el material. Para encontrar los mínimos se utiliza un método variacional , lo que da como resultado un conjunto de ecuaciones diferenciales no lineales , llamadas ecuaciones de Brown en honor a William Fuller Brown Jr. Aunque en principio estas ecuaciones se pueden resolver para las configuraciones de dominio estable M ( x ), en la práctica solo se pueden resolver los ejemplos más simples. No existen soluciones analíticas, y las soluciones numéricas calculadas por el método de elementos finitos son computacionalmente intratables debido a la gran diferencia de escala entre el tamaño del dominio y el tamaño de la pared. Por lo tanto, el micromagnetismo ha desarrollado métodos aproximados que asumen que la magnetización de los dipolos en la mayor parte del dominio, lejos de la pared, apunta en la misma dirección, y las soluciones numéricas solo se utilizan cerca de la pared del dominio, donde la magnetización está cambiando rápidamente.
Existen varios métodos de microscopía que se pueden utilizar para visualizar la magnetización en la superficie de un material magnético, revelando los dominios magnéticos. Cada método tiene una aplicación diferente porque no todos los dominios son iguales. En los materiales magnéticos, los dominios pueden ser circulares, cuadrados, irregulares, alargados y rayados, todos ellos con tamaños y dimensiones variables.
Los dominios grandes, dentro del rango de 25 a 100 micrómetros, se pueden ver fácilmente mediante la microscopía Kerr , que utiliza el efecto Kerr magnetoóptico , que es la rotación de la polarización de la luz reflejada desde una superficie magnetizada.
La microscopía de Lorentz es un conjunto de técnicas de microscopía electrónica de transmisión que se utilizan para estudiar las estructuras del dominio magnético hasta la nanoescala. [9] Las técnicas más comunes incluyen el modo Fresnel, el modo Foucault y la difracción de electrones de ángulo bajo (LAD) en el modo TEM de haz paralelo, y el contraste de fase diferencial (DPC) en el modo TEM de barrido. La holografía electrónica fuera del eje es una técnica relacionada que se utiliza para observar estructuras magnéticas mediante la detección de campos magnéticos a nanoescala.
Otra técnica para visualizar estructuras de dominio submicroscópico a una escala de unos pocos nanómetros es la microscopía de fuerza magnética . La MFM es una forma de microscopía de fuerza atómica que utiliza una punta de sonda recubierta magnéticamente para escanear la superficie de la muestra.
Los patrones Bitter son una técnica para obtener imágenes de dominios magnéticos que fue observada por primera vez por Francis Bitter . [10] La técnica implica colocar una pequeña cantidad de ferrofluido sobre la superficie de un material ferromagnético. El ferrofluido se organiza a lo largo de las paredes del dominio magnético , que tienen un flujo magnético más alto que las regiones del material ubicadas dentro de los dominios. Se ha incorporado una técnica Bitter modificada en un dispositivo ampliamente utilizado, el Large Area Domain Viewer, que es particularmente útil en el examen de aceros al silicio de grano orientado . [11]
