En magnetismo , dominio único se refiere al estado de un ferroimán (en el sentido más amplio del término que incluye ferrimagnetismo ) en el que la magnetización no varía a través del imán. Una partícula magnética que permanece en un estado de dominio único para todos los campos magnéticos se llama partícula de dominio único (pero son posibles otras definiciones; ver más abajo). [a] Estas partículas son muy pequeñas (generalmente por debajo de un micrómetro de diámetro). También son muy importantes en muchas aplicaciones porque tienen una alta coercitividad . Son la principal fuente de dureza de los imanes duros , los portadores de almacenamiento magnético en las unidades de cinta y los mejores registradores del campo magnético de la antigua Tierra (ver paleomagnetismo ).
Las primeras teorías de la magnetización en los ferromagnetos asumían que los ferromagnetos se dividían en dominios magnéticos y que la magnetización cambiaba mediante el movimiento de las paredes de los dominios . Sin embargo, ya en 1930, Frenkel y Dorfman predijeron que partículas suficientemente pequeñas sólo podrían contener un dominio, aunque sobreestimaron en gran medida el límite superior de tamaño para tales partículas. [1] La posibilidad de partículas de dominio único recibió poca atención hasta dos desarrollos a finales de la década de 1940: (1) Cálculos mejorados del límite de tamaño superior por Charles Kittel y Louis Néel , y (2) un cálculo de las curvas de magnetización para sistemas de partículas de dominio único de Stoner y Wohlfarth. [2] [3] El modelo Stoner-Wohlfarth ha tenido una enorme influencia en trabajos posteriores y todavía se cita con frecuencia.
Los primeros investigadores señalaron que una partícula de dominio único podía definirse de más de una manera. [4] Quizás lo más común es que se defina implícitamente como una partícula que se encuentra en un estado de dominio único durante todo el ciclo de histéresis, incluso durante la transición entre dos de esos estados. Este es el tipo de partícula que se modela mediante el modelo de Stoner-Wohlfarth . Sin embargo, puede estar en un estado de dominio único excepto durante la reversión. A menudo, las partículas se consideran de dominio único si su remanencia de saturación es consistente con el estado de dominio único. Más recientemente se ha descubierto que el estado de una partícula puede ser de dominio único para un cierto rango de campos magnéticos y luego cambiar continuamente a un estado no uniforme. [5]
Otra definición común de partícula de dominio único es aquella en la que el estado de dominio único tiene la energía más baja de todos los estados posibles (ver más abajo).
Si una partícula está en el estado de dominio único, toda su magnetización interna apunta en la misma dirección. Por tanto, tiene el mayor momento magnético posible para una partícula de ese tamaño y composición. La magnitud de este momento es , donde es el volumen de la partícula y es la magnetización de saturación .
La magnetización en cualquier punto de un ferroimán sólo puede cambiar mediante rotación. Si hay más de un dominio magnético , la transición entre un dominio y su vecino implica una rotación de la magnetización para formar una pared de dominio . Las paredes de dominio se mueven fácilmente dentro del imán y tienen una baja coercitividad . Por el contrario, una partícula que tiene un solo dominio en todos los campos magnéticos cambia su estado mediante la rotación de toda la magnetización como una unidad. Esto da como resultado una coercitividad mucho mayor .
La teoría más utilizada para la histéresis en partículas de dominio único es el modelo de Stoner-Wohlfarth . Esto se aplica a una partícula con anisotropía magnetocristalina uniaxial .
Experimentalmente, se observa que aunque la magnitud de la magnetización es uniforme en toda una muestra homogénea a temperatura uniforme, la dirección de la magnetización en general no es uniforme, sino que varía de una región a otra, en una escala correspondiente a observaciones visuales con una microscopio. La uniformidad de dirección sólo se logra aplicando un campo, o eligiendo como muestra un cuerpo que sea él mismo de dimensiones microscópicas (una partícula fina ). [4] El rango de tamaño para el cual un ferroimán se convierte en dominio único es generalmente bastante estrecho y un primer resultado cuantitativo en esta dirección se debe a William Fuller Brown, Jr. quien, en su artículo fundamental, [6] demostró rigurosamente (en el marco de la micromagnética ), aunque en el caso especial de una esfera homogénea de radio , lo que hoy se conoce como teorema fundamental de Brown de la teoría de las partículas ferromagnéticas finas . Este teorema establece la existencia de un radio crítico tal que el estado de menor energía libre sea uno de magnetización uniforme si (es decir, la existencia de un tamaño crítico bajo el cual las partículas ferromagnéticas esféricas permanecen uniformemente magnetizadas en un campo aplicado cero). Luego se puede calcular un límite inferior para . En 1988, Amikam A. Aharoni , [7] utilizando el mismo razonamiento matemático que Brown, pudo extender el Teorema Fundamental al caso de un esferoide alargado . Recientemente, [8] el teorema fundamental de Brown sobre partículas ferromagnéticas finas se ha extendido rigurosamente al caso de un elipsoide general , y se ha dado una estimación del diámetro crítico (bajo el cual la partícula elipsoidal se convierte en un dominio único) en términos de los factores desmagnetizantes. del elipsoide general. [9] Finalmente, se ha demostrado que el mismo resultado es cierto para los equilibrios metaestables en pequeñas partículas elipsoidales. [10]
Aunque las partículas puras de dominio único (matemáticamente) existen sólo para algunas geometrías especiales, para la mayoría de los ferromagnetos se logra un estado de casi uniformidad de magnetización cuando el diámetro de la partícula está entre aproximadamente 25 y 80 nanómetros. [11] [b] El rango de tamaño está limitado por debajo por la transición al superparamagnetismo y por encima por la formación de múltiples dominios magnéticos .
Las fluctuaciones térmicas hacen que la magnetización cambie de forma aleatoria. En el estado de dominio único, el momento rara vez se aleja del estado estable local. Las barreras energéticas (ver también energía de activación ) impiden que la magnetización salte de un estado a otro. Sin embargo, si la barrera de energía se vuelve lo suficientemente pequeña, el momento puede saltar de un estado a otro con suficiente frecuencia como para hacer que la partícula sea superparamagnética . La frecuencia de los saltos tiene una fuerte dependencia exponencial de la barrera de energía, y la barrera de energía es proporcional al volumen, por lo que existe un volumen crítico en el que se produce la transición. Este volumen puede considerarse como el volumen en el que la temperatura de bloqueo es la temperatura ambiente.
A medida que aumenta el tamaño de un ferroimán, el estado de dominio único incurre en un costo de energía creciente debido al campo desmagnetizante . Este campo tiende a rotar la magnetización de manera que se reduce el momento total del imán, y en imanes más grandes la magnetización se organiza en dominios magnéticos . La energía desmagnetizante se equilibra con la energía de la interacción de intercambio , que tiende a mantener alineados los espines. Hay un tamaño crítico en el que la balanza se inclina a favor del campo desmagnetizante y se favorece el estado multidominio . La mayoría de los cálculos del límite de tamaño superior para el estado de dominio único lo identifican con este tamaño crítico. [13] [14] [15]
