- Superparamagnetismus
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Superparamagnetische Flüssigkeit: Nanopartikuläre Eisenoxidpartikel in wässriger Suspension. Die Flüssigkeit wird durch den Magneten gehalten.
Superparamagnetismus, auch superparamagnetischer Effekt genannt, bezeichnet die magnetische Eigenschaft sehr kleiner Teilchen eines ferromagnetischen Materials, auch bei Temperaturen unterhalb der Curie-Temperatur keine bleibende Magnetisierung zu halten, wenn ein zuvor angelegtes Magnetfeld abgeschaltet wurde.
Inhaltsverzeichnis
Ursache
Grund für dieses Phänomen sind die Brown-Relaxation sowie Néel-Relaxation [1] (vereinfacht thermische Anregungen), durch die sich die Magnetisierungsrichtung ändert. Im Detail erfolgt die Néel-Relaxation durch thermische Anregungen, hierbei werden magnetische Momente der Teilchen durch thermische Einflüsse (ohne Einfluss eines Magnetfeldes) immer wieder verändert. Die Zeit, innerhalb derer sich der magnetische Moment dreht, wird auch als Néel-Relaxations-Zeit bezeichnet. Da die Zeit, in der die Magnetisierung gemessen wird, länger dauert als die Néel-Relaxation, erscheint die Magnetisierung durchschnittlich 0 (da die sich ändernden magnetischen Momente sich in der Messung gegenseitig kompensieren).
Eine Ansammlung solcher Teilchen verhält sich daher makroskopisch wie ein Paramagnet, besitzt aber dennoch die hohe magnetische Sättigung eines Ferromagneten. Im Gegensatz zu einem Paramagneten sind es nicht einzelne Atome, sondern kleine magnetische Partikel, die ihre Magnetisierungsrichtung unabhängig voneinander verändern.
Auftreten
Superparamagnetismus tritt je nach Stoff unterhalb einer bestimmten Partikelgröße auf.
Voraussetzung hierfür ist, dass die Partikel des Stoffes so klein sind, dass sie lediglich eine magnetische Domäne ausbilden (auch geringe magnetische Anisotropie genannt). Dann ist es besonders einfach, alle magnetischen Momente des Teilchens in dieselbe Richtung zu drehen.
Werden die Partikel noch weiter auf oder unter die bereits o.g. stoffabhängige Größe verkleinert, tritt Superparamagnetismus auf. Diese stoffabhängige Partikelgröße wird auch als superparamagnetisches Limit bezeichnet.
Die Hysteresekurve eines superparamagnetisches Stoffes. Es beschreibt die Magnetisierung M in Abhängigkeit der angelegten Magnetfeldstärke H. Ms ist die magnetische Sättigung, bei der selbst eine große Verstärkung von H keine besondere Verstärkung von M mehr verursacht. Ms besitzt je nach Stoff unterschiedliche Werte. Erkennbar: Es verbleibt keine Remanenz nach Abschalten des Magnetfeldes (Kurve verläuft durch den Ursprung)Superparamagnetismus tritt oberhalb einer bestimmten, stoffabhängigen Temperatur auf, welche als blocking temperature (engl.) bezeichnet wird.
Bedeutung für magnetische Speichermedien
Bei der magnetischen Datenaufzeichnung, z. B. auf Festplatten, stellt der Superparamagnetismus eine physikalische obere Grenze der möglichen Aufzeichnungsdichte dar, weil dafür sehr kleine magnetische Körner benötigt werden. Die Verkleinerung führt zu höherer Empfindlichkeit gegenüber thermischer Anregung und kann zu spontanem Verlust der Magnetisierung und damit der gespeicherten Informationen führen.
Es wird daher versucht, für Festplatten Materialien mit möglichst hoher magnetischer Anisotropie zu verwenden, allerdings ist das nur soweit möglich wie diese noch durch den Schreibkopf ummagnetisiert werden können. Durch kurzzeitiges Erhitzen kann das Ummagnetisieren (Schreiben) solcher Materialien erleichtert werden. Diese Methode ist als HAMR-Technik (engl. heat-assisted magnetic recording) bekannt und soll eine Steigerung der Aufzeichnungsdichte zukünftiger magnetischer Speichermedien ermöglichen.
Eine andere Möglichkeit zur Erhöhung der Speicherdichten besteht darin, statt vieler magnetischer Körner (einiger hundert) nur eines pro Bit zu verwenden. Dann können trotz Verwendung größerer Körner sehr hohe Aufzeichnungsdichten erreicht werden; diese Körner müssen allerdings so angeordnet sein, dass der Schreib- und Lesekopf der Festplatte den Reihen der Körner folgen kann. Solche Speichermedien lassen sich mit Hilfe von Lithografie-Techniken wie z. B. Elektronenstrahl- oder Ionenstrahllithografie herstellen, existieren allerdings bisher nur im Labor und sind als patterned media (engl.) bekannt.
Fußnoten
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