Resorte magnético de cambio

Figura 1: El bucle de histéresis magnética ideal de un imán de resorte de intercambio (línea discontinua), así como los bucles de histéresis de sus componentes duros (azul) y blandos (rojo) aislados. H es el campo magnético externo aplicado, M es la densidad de flujo magnético total del material.

Un imán de resorte de intercambio es un material magnético con altas propiedades de coercitividad y alta saturación derivadas de la interacción de intercambio entre un material magnético duro y un material magnético blando, respectivamente.

Coehoorn et al. fueron los primeros capaces de observar un imán de resorte de intercambio real. ^[1] Los imanes de resorte de intercambio son más económicos que muchos imanes que contienen tierras raras /metales de transición ( imanes RE-TM ), ya que la fase dura del imán (que comúnmente comprende material RE-TM) puede ser menos del 15% del imán total por volumen. ^[2]

Principio

Propuesto por primera vez por Kneller y Hawig en 1991, el imán de resorte de intercambio utiliza la epitaxia entre materiales magnéticos duros y blandos: el material duro ayuda a retener la anisotropía del material blando , lo que aumenta su coercitividad . ^[2]

El bucle de histéresis magnética de un imán de resorte de intercambio teóricamente toma una forma parecida a la de una suma de sus componentes magnéticos duros y blandos (como se ve en la Figura 1), lo que significa que su producto de energía es mayor que el de sus componentes. El producto de energía máxima de un imán (BH) _max , que es aproximadamente proporcional a su coercitividad (H _C ) y saturación de magnetización (M _sat ), se utiliza como una métrica de su capacidad para realizar trabajo magnético ya que (BH) _{max es el doble de la energía} magnetostática disponible del imán . ^[3] El imán de resorte de intercambio ofrece una geometría capaz de mejorar los productos de energía máxima informados anteriormente de materiales como los complejos de tierras raras/metales de transición; mientras que ambos materiales tienen valores de H _C suficientemente grandes y funcionan a temperaturas de Curie relativamente altas , el imán de resorte de intercambio puede lograr valores de M _sat mucho más altos que los complejos de tierras raras/metales de transición (RE-TM). ^[4]

Un componente importante de los imanes de resorte de intercambio es la anisotropía: si bien los imanes de resorte de intercambio que son isotrópicos en masa aún exhiben un producto de energía mayor que muchos imanes RE-TM, se teoriza que el producto de energía de su forma anisotrópica es significativamente mayor. ^[3]

Energía magnética

Intercambio de energía

El momento magnético de un material a granel es la suma de todos sus momentos atómicos. Las interacciones de los momentos atómicos entre sí y con el campo aplicado externamente determinan el comportamiento del imán. Cada momento magnético atómico intenta orientarse de manera que la energía magnética total alcance un mínimo. En general, hay cuatro tipos de energía que compiten entre sí para alcanzar el equilibrio: cada uno se deriva del efecto de acoplamiento de intercambio, la anisotropía magnética, la energía magnetostática del imán y la interacción del imán con el campo externo.

Figura 2: Cuatro tipos de energía magnética. Los momentos magnéticos de pequeños grupos de átomos están representados por flechas.

El acoplamiento de intercambio es un efecto mecánico cuántico que mantiene los momentos adyacentes alineados entre sí. La energía de intercambio de los momentos adyacentes aumenta a medida que aumenta el ángulo entre los dos momentos.

${\displaystyle E_{x}=A({\frac {d\theta }{dx}})^{2}}$

donde es la constante de intercambio y es el vector de posición del vecino con respecto al sitio . Los valores típicos de son del orden de J/m. ${\displaystyle A={\frac {1}{6}}nJS^{2}\sum \Delta r_{j}^{2}}$ ${\displaystyle \Delta r_{j}=r_{j}-r_{i}}$ ${\displaystyle j}$ ${\displaystyle i}$ ${\displaystyle A}$ ${\displaystyle 10^{-11}}$

Energía de anisotropía

La energía de anisotropía magnética surge de la estructura cristalina del material. En un caso sencillo, el efecto se puede modelar mediante una distribución de energía uniaxial. A lo largo de una dirección axial, llamada eje de fácil , los momentos magnéticos tienden a alinearse. La energía aumenta si la orientación de un momento magnético se desvía del eje de fácil.

${\displaystyle E_{\text{a}}=K_{1}\sin ^{2}\theta }$

Energía magnetostática

La energía magnetostática es la energía almacenada en el campo generado por los momentos magnéticos de un material. El campo del imán alcanza su máxima intensidad si todos los momentos magnéticos se orientan en una dirección; esto es lo que ocurre en un imán duro. Para evitar la acumulación del campo magnético, a veces los momentos magnéticos tienden a formar bucles. De esa manera, la energía almacenada en el campo magnético puede limitarse; esto es lo que ocurre en un imán blando. Lo que determina si un imán es duro o blando es el término dominante de su energía magnética. Para los imanes duros, la constante de anisotropía es relativamente grande, lo que hace que los momentos magnéticos se alineen con el eje fácil. El caso opuesto se aplica a los imanes blandos, en los que la energía magnetostática es dominante.

Otra energía magnetostática surge de la interacción con un campo externo. Los momentos magnéticos intentan naturalmente alinearse con el campo aplicado.

${\displaystyle E_{ext}=-MBsin(\theta )}$

Como la energía magnetostática domina en el imán blando, los momentos magnéticos tienden a orientarse con éxito a lo largo del campo externo.

Resorte magnético de cambio

En el imán de resorte de intercambio, la fase dura tiene una alta coercitividad y la fase blanda tiene una alta saturación. La fase dura y la fase blanda interactúan a través de su interfaz mediante acoplamiento de intercambio.

Figura 3: Momentos magnéticos en la interfaz de un material magnético duro y un material magnético blando. Se supone que es unidimensional: las flechas azules representan los momentos magnéticos en la fase dura y las flechas rojas representan los de la fase blanda. La longitud de la flecha muestra su magnetización y su ancho muestra su coercitividad. Se supone que el eje fácil está en dirección vertical.

De izquierda a derecha en la Figura 3, primero se aplica un campo externo en dirección ascendente para saturar el imán. Luego, el campo externo se invierte y comienza a desmagnetizar el imán. Dado que la coercitividad de la fase dura es relativamente alta, los momentos permanecen inalterados para minimizar la anisotropía y la energía de intercambio. Los momentos magnéticos en la fase blanda comienzan a rotar para alinearse con el campo aplicado. ^[5] Debido al acoplamiento de intercambio en la interfaz blanda/dura, los momentos magnéticos en el límite de la fase blanda tienen que alinearse con el momento adyacente en la fase dura. En las regiones cercanas a la interfaz, debido al acoplamiento de intercambio, la cadena de momentos magnéticos actúa como un resorte. Si se aumenta el campo externo, más momentos en la fase blanda rotan hacia abajo y el ancho de la región de transición se vuelve más pequeño a medida que aumenta la densidad de energía de intercambio . Los momentos magnéticos en la fase dura no rotan hasta que el campo externo es lo suficientemente alto como para que la densidad de energía de intercambio en la región de transición sea comparable a la densidad de energía de anisotropía en la fase dura. En este punto, la rotación de los momentos magnéticos en la fase blanda comienza a afectar a la fase dura. A medida que el campo externo supera la coercitividad del material duro, el imán duro se desmagnetiza por completo.

En el proceso anterior, cuando los momentos magnéticos en el imán duro comienzan a girar, la intensidad del campo externo ya es mucho mayor que la coercitividad de la fase blanda, pero todavía hay una región de transición en la fase blanda. Si el espesor de la fase blanda es menor que el doble del espesor de la región de transición, la fase blanda debería tener una coercitividad efectiva grande, menor que la coercitividad de la fase dura pero comparable a ella.

Figura 4: Momentos magnéticos alrededor de una fase blanda y delgada

En una fase blanda y delgada, es difícil que el campo externo haga girar los momentos magnéticos, de forma similar a un imán duro con una magnetización de saturación elevada. Después de aplicar un campo externo elevado para desmagnetizar parcialmente los momentos magnéticos en la fase dura y después de eliminar posteriormente el campo externo, los momentos girados en la fase blanda pueden volver a girarse mediante acoplamiento de intercambio con la fase dura (Figura 5). Este fenómeno se muestra en el bucle de histéresis de un imán de resorte de intercambio (Figura 6).

Figura 5: Momentos magnéticos de un imán de resorte de intercambio al introducir y eliminar un campo magnético externo relativamente grande.

Figura 6: Curvas de desmagnetización ^[5] de un imán de resorte de intercambio.

Al comparar el ciclo de histéresis del imán de resorte de intercambio con el de un imán duro convencional, se demuestra que el imán de resorte de intercambio tiene más probabilidades de recuperarse del campo externo opuesto. Cuando se elimina el campo externo, la magnetización remanente puede recuperarse a un valor cercano a su valor original. El nombre "imán de resorte de intercambio" se deriva de la reversibilidad de la magnetización. ^[2]

La dimensión de la fase blanda dentro del imán de resorte de intercambio debe mantenerse lo suficientemente pequeña como para retener la magnetización reversible. Además, la fracción de volumen de la fase blanda debe ser lo más grande posible para lograr una alta saturación de magnetización. Una geometría de material viable es fabricar un imán incrustando partículas duras dentro de una matriz blanda. De esa manera, el material de la matriz blanda ocupa la fracción de volumen más grande mientras está cerca de las partículas duras. El tamaño y el espaciamiento de las partículas duras están en la escala de nanómetros. Si los imanes duros son esferas en una red espacial fcc en la fase magnética blanda, la fracción de volumen de la fase dura puede ser del 9%. Dado que la saturación de magnetización total se suma por la fracción de volumen, está cerca del valor de una fase blanda pura.

Fabricación

La fabricación de un imán de resorte de intercambio requiere un control preciso de la estructura de la matriz de partículas en la escala nanométrica. Se han probado varios métodos, incluidos el método metalúrgico , la pulverización catódica y el autoensamblaje de partículas.

• Autoensamblaje de partículas : nanopartículas _{de Fe 3} O ₄ de 4 nm _{y nanopartículas de Fe 58} Pt ₄₂ de 4 nm dispersas en solución se depositaron como estructuras compactas mediante autoensamblaje por evaporación de la solución. Luego, mediante recocido,se formó un imán nanocompuesto de _{FePt-Fe 3 Pt. La densidad de energía aumentó de 117 kJ/m} ³ de la fase única de Fe ₅₈ Pt ₄₂ a 160 kJ/m ³ denanocompuesto _{de FePt-Fe 3 Pt.} ^[6]
• Pulverización catódica: Sm y Co se pulverizaron conjuntamente a partir de objetivos elementales utilizando un magnetrón de CC sobre un tampón Cr(211) sobre sustratos MgO(110) para crear Sm ₂ Co ₇ . Se depositó una capa de Fe a 300 - 400 °C y se cubrió con Cr. ^[7]
• Recocido : se pulverizaron múltiples capas de Fe y Pt a partir de objetivos elementales sobre vidrio. Se descubrió que la variación de la composición de las capas y las condiciones de recocido alteraban las propiedades magnéticas del material final. ^[8]

Referencias

1. Coehoorn, R.; de Mooij, DB; De Waard, C. (1989). "Materiales de imanes permanentes hilados en fusión que contienen Fe ₃ B como fase principal". Revista de Magnetismo y Materiales Magnéticos . 80 (1): 101–104. Código bibliográfico : 1989JMMM...80..101C. doi :10.1016/0304-8853(89)90333-8.
2. Kneller, EF; Hawig, R. (julio de 1991). "El imán de resorte de intercambio: un nuevo principio material para imanes permanentes". IEEE Transactions on Magnetics . 27 (4): 3588–3560. Bibcode :1991ITM....27.3588K. doi :10.1109/20.102931.
3. Fullerton, EE; Jiang, JS; Bader, SD (1999). "Heteroestructuras magnéticas duras/blandas: modelo de imanes de resorte de intercambio". Revista de magnetismo y materiales magnéticos . 200 (1–3): 392–404. Código Bibliográfico :1999JMMM..200..392F. doi :10.1016/S0304-8853(99)00376-5.
4. Coey, JMD; Skomski, R. (1993). "Nuevos imanes a partir de intermetálicos intersticiales". Physica Scripta T49A: 315-321.
5. Monteiro, Pedro MS; Schmool, DS (junio de 2010). "Dinámica de magnetización en sistemas de resortes acoplados por intercambio con anisotropía perpendicular". Physical Review B . 81 (21): 214439. arXiv : 0911.4137 . Bibcode :2010PhRvB..81u4439M. doi :10.1103/PhysRevB.81.214439. S2CID  119248589.
6. Zeng, Hao; Li, Jing; Liu, JP; Wang, Zhong L.; Sun, Shouheng (28 de noviembre de 2002). "Imanes nanocompuestos acoplados por intercambio mediante autoensamblaje de nanopartículas". Nature . 420 (6914): 395–398. Bibcode :2002Natur.420..395Z. doi :10.1038/nature01208. PMID  12459779. S2CID  4348807.
7. Davies, JE; Hellwig, O.; Fullerton, EE; Jiang, JS; Bader, SD; Zimányi, GT; Liu, K. (2005). "Dependencia de la anisotropía de la conmutación irreversible en películas de resortes magnéticos de intercambio Fe/Sm Co y Fe/Ni/Fe Pt". Applied Physics Letters 86: 262503. doi :10.1063/1.1954898
8. Liu, JP; Luo, CP; Liu, Y.; Sellmyer, DJ (1998). "Productos de alta energía en multicapas de Fe/Pt a escala nanométrica rápidamente recocidas". Applied Physics Letters . 72 (4): 483–485. Código Bibliográfico :1998ApPhL..72..483L. doi :10.1063/1.120793.

Enlaces externos

• Medios relacionados con Imán de resorte de intercambio en Wikimedia Commons