अतिपरचुम्बकत्व

सुपरपरमैग्नेटिज्म चुंबकत्व का एक रूप है जो छोटे लौहचुंबकीय या लौह-चुंबकीय नैनोकणों में प्रकट होता है। पर्याप्त रूप से छोटे नैनोकणों में, तापमान के प्रभाव में चुंबकत्व बेतरतीब ढंग से दिशा बदल सकता है। दो फ़्लिपों के बीच के विशिष्ट समय को नील विश्राम सिद्धांत|नील विश्राम समय कहा जाता है। बाहरी चुंबकीय क्षेत्र की अनुपस्थिति में, जब नैनोकणों के चुंबकत्व को मापने के लिए उपयोग किया जाने वाला समय नील विश्राम समय से कहीं अधिक लंबा होता है, तो उनका चुंबकत्व औसत शून्य में प्रतीत होता है; ऐसा कहा जाता है कि वे सुपरपैरामैग्नेटिक अवस्था में हैं। इस अवस्था में, एक बाहरी चुंबकीय क्षेत्र एक पैरामैग्नेट की तरह ही नैनोकणों को चुम्बकित करने में सक्षम होता है। हालाँकि, उनकी चुंबकीय संवेदनशीलता अनुचुंबकों की तुलना में बहुत अधिक है।

चुंबकीय क्षेत्र की अनुपस्थिति में नील विश्राम

आम तौर पर, कोई भी लौहचुंबकीय या लौहचुंबकीय सामग्री अपने क्यूरी तापमान के ऊपर एक अनुचुंबकीय अवस्था में संक्रमण से गुजरती है। सुपरपरमैग्नेटिज़्म इस मानक संक्रमण से भिन्न है क्योंकि यह सामग्री के क्यूरी तापमान से नीचे होता है।

सुपरपैरामैग्नेटिज्म नैनोकणों में होता है जो एकल डोमेन (चुंबकीय)|सिंगल-डोमेन होते हैं, यानी एकल चुंबकीय डोमेन से बने होते हैं। यह तभी संभव है जब सामग्री के आधार पर उनका व्यास 3-50 एनएम से कम हो। इस स्थिति में, यह माना जाता है कि नैनोकणों का चुंबकत्व एक एकल विशाल चुंबकीय क्षण है, जो नैनोकणों के परमाणुओं द्वारा किए गए सभी व्यक्तिगत चुंबकीय क्षणों का योग है। सुपरपरमैग्नेटिज्म के क्षेत्र के लोग इसे मैक्रो-स्पिन सन्निकटन कहते हैं।

नैनोकणों की चुंबकीय अनिसोट्रॉपी के कारण, चुंबकीय क्षण में आमतौर पर एक दूसरे के समानांतर केवल दो स्थिर अभिविन्यास होते हैं, जो एक ऊर्जा अवरोध द्वारा अलग होते हैं। स्थिर अभिविन्यास नैनोकण के तथाकथित "आसान अक्ष" को परिभाषित करते हैं। सीमित तापमान पर, चुम्बकत्व के पलटने और उसकी दिशा उलटने की एक सीमित संभावना होती है। दो फ़्लिपों के बीच के औसत समय को नील विश्राम समय कहा जाता है $\tau _{\text{N}}$ और निम्नलिखित नील-अरहेनियस समीकरण द्वारा दिया गया है:^[1]

\tau _{\text{N}}=\tau _{0}\exp \left({\frac {KV}{k_{\text{B}}T}}\right)

,

कहाँ:

$\tau _{\text{N}}$ इस प्रकार थर्मल उतार-चढ़ाव के परिणामस्वरूप नैनोकणों के चुंबकीयकरण को यादृच्छिक रूप से फ़्लिप करने में लगने वाला औसत समय होता है।
$\tau _{0}$ समय की लंबाई है, सामग्री की विशेषता, जिसे प्रयास समय या प्रयास अवधि कहा जाता है (इसके पारस्परिक को प्रयास आवृत्ति कहा जाता है); इसका सामान्य मान 10 के बीच है⁻⁹और 10⁻¹⁰सेकंड.
K नैनोकण का चुंबकीय अनिसोट्रॉपी ऊर्जा घनत्व है और V इसका आयतन है। इसलिए केवी एक ऊर्जा अवरोध है जो चुंबकत्व से जुड़ा होता है जो अपनी प्रारंभिक आसान अक्ष दिशा से "कठोर विमान" के माध्यम से अन्य आसान अक्ष दिशा की ओर बढ़ता है।
क_B बोल्ट्ज़मैन स्थिरांक है।
T तापमान है.

समय की यह अवधि कुछ नैनोसेकंड से लेकर वर्षों या उससे भी अधिक समय तक हो सकती है। विशेष रूप से, यह देखा जा सकता है कि नील विश्राम समय अनाज की मात्रा का एक घातीय कार्य है, जो बताता है कि थोक सामग्री या बड़े नैनोकणों के लिए फ़्लिपिंग संभावना तेजी से नगण्य क्यों हो जाती है।

अवरुद्ध तापमान

आइए कल्पना करें कि एक एकल सुपरपैरामैग्नेटिक नैनोकण के चुंबकीयकरण को मापा जाता है और आइए परिभाषित करें $\tau _{\text{m}}$ माप समय के रूप में. अगर $\tau _{\text{m}}\gg \tau _{\text{N}}$ , माप के दौरान नैनोकण चुम्बकत्व कई बार पलटेगा, फिर मापा गया चुम्बकत्व औसत शून्य हो जाएगा। अगर $\tau _{\text{m}}\ll \tau _{\text{N}}$ , माप के दौरान चुम्बकत्व फ़्लिप नहीं होगा, इसलिए मापा गया चुम्बकत्व वही होगा जो माप की शुरुआत में तात्कालिक चुम्बकत्व था। पहले मामले में, नैनोकण सुपरपैरामैग्नेटिक अवस्था में दिखाई देगा जबकि बाद वाले मामले में यह अपनी प्रारंभिक अवस्था में "अवरुद्ध" दिखाई देगा।

नैनोकण की स्थिति (सुपरपरामैग्नेटिक या अवरुद्ध) माप समय पर निर्भर करती है। अतिपरचुंबकत्व और अवरुद्ध अवस्था के बीच संक्रमण तब होता है जब $\tau _{\text{m}}=\tau _{\text{N}}$ . कई प्रयोगों में, माप का समय स्थिर रखा जाता है लेकिन तापमान भिन्न होता है, इसलिए सुपरपरमैग्नेटिज्म और अवरुद्ध अवस्था के बीच संक्रमण को तापमान के एक कार्य के रूप में देखा जाता है। जिसके लिए तापमान $\tau _{\text{m}}=\tau _{\text{N}}$ अवरोधन तापमान कहा जाता है:

T_{\text{B}}={\frac {KV}{k_{\text{B}}\ln \left({\frac {\tau _{\text{m}}}{\tau _{0}}}\right)}}

विशिष्ट प्रयोगशाला मापों के लिए, पिछले समीकरण में लघुगणक का मान 20-25 के क्रम में है।

समान रूप से, अवरुद्ध तापमान वह तापमान होता है जिसके नीचे कोई सामग्री चुंबकत्व में धीमी छूट दिखाती है।^[2]

चुंबकीय क्षेत्र का प्रभाव

लैंग्विन फ़ंक्शन (लाल रेखा) की तुलना में

{\textstyle \tanh \left({\frac {1}{3}}x\right)}

(नीली रेखा)।

जब एक बाहरी चुंबकीय क्षेत्र एच को सुपरपैरामैग्नेटिक नैनोकणों की एक असेंबली पर लागू किया जाता है, तो उनके चुंबकीय क्षण लागू क्षेत्र के साथ संरेखित होते हैं, जिससे शुद्ध चुंबकीयकरण होता है। असेंबली का चुंबकत्व वक्र, यानी लागू क्षेत्र के एक फ़ंक्शन के रूप में चुंबकत्व, एक प्रतिवर्ती एस-आकार का बढ़ता हुआ कार्य है। यह फ़ंक्शन काफी जटिल है लेकिन कुछ साधारण मामलों के लिए:

यदि सभी कण समान हैं (समान ऊर्जा अवरोध और समान चुंबकीय क्षण), तो उनके सभी आसान अक्ष लागू क्षेत्र के समानांतर उन्मुख हैं और तापमान काफी कम है (टी)_B < टी ≲ केवी/(10 के_B)), फिर असेंबली का चुंबकत्व है
$M(H)\approx n\mu \tanh \left({\frac {\mu _{0}H\mu }{k_{\text{B}}T}}\right)$ .
यदि सभी कण समान हैं और तापमान काफी अधिक है (T ≳ KV/k_B), फिर, आसान अक्षों के झुकाव के बावजूद:
$M(H)\approx n\mu L\left({\frac {\mu _{0}H\mu }{k_{\text{B}}T}}\right)$

उपरोक्त समीकरणों में:

n नमूने में नैनोकणों का घनत्व है
${\textstyle \mu _{0}}$ निर्वात की चुंबकीय पारगम्यता है
${\textstyle \mu }$ एक नैनोकण का चुंबकीय क्षण है
${\textstyle L(x)={\frac {1}{\tanh(x)}}-{\frac {1}{x}}}$ लैंग्विन फ़ंक्शन है

का प्रारंभिक ढलान $M(H)$ फ़ंक्शन नमूने की चुंबकीय संवेदनशीलता है $\chi$ :

\chi ={\begin{cases}\displaystyle {\frac {n\mu _{0}\mu ^{2}}{k_{\text{B}}T}}&{\text{for the 1st case}}\\\displaystyle {\frac {n\mu _{0}\mu ^{2}}{3k_{\text{B}}T}}&{\text{for the 2nd case}}\end{cases}}

बाद की संवेदनशीलता सभी तापमानों के लिए भी मान्य है $T>T_{\text{B}}$ यदि नैनोकणों की आसान अक्षें यादृच्छिक रूप से उन्मुख हैं।

इन समीकरणों से यह देखा जा सकता है कि बड़े नैनोकणों में बड़ा µ होता है और इसलिए अधिक संवेदनशीलता होती है। यह बताता है कि क्यों सुपरपैरामैग्नेटिक नैनोकणों में मानक पैरामैग्नेट की तुलना में बहुत अधिक संवेदनशीलता होती है: वे एक विशाल चुंबकीय क्षण के साथ बिल्कुल पैरामैग्नेट की तरह व्यवहार करते हैं।

चुम्बकत्व की समय निर्भरता

जब नैनोकण या तो पूरी तरह से अवरुद्ध हो जाते हैं तो चुंबकत्व की कोई समय-निर्भरता नहीं होती है ( $T\ll T_{\text{B}}$ ) या पूरी तरह से सुपरपैरामैग्नेटिक ( $T\gg T_{\text{B}}$ ). हालाँकि, चारों ओर एक संकीर्ण खिड़की है $T_{\text{B}}$ जहां माप समय और विश्राम समय में तुलनीय परिमाण होता है। इस मामले में, संवेदनशीलता की आवृत्ति-निर्भरता देखी जा सकती है। यादृच्छिक रूप से उन्मुख नमूने के लिए, जटिल संवेदनशीलता^[3] है:

\chi (\omega )={\frac {\chi _{\text{sp}}+i\omega \tau \chi _{\text{b}}}{1+i\omega \tau }}

कहाँ

${\textstyle {\frac {\omega }{2\pi }}}$ लागू क्षेत्र की आवृत्ति है
${\textstyle \chi _{\text{sp}}={\frac {n\mu _{0}\mu ^{2}}{3k_{\text{B}}T}}}$ सुपरपैरामैग्नेटिक अवस्था में संवेदनशीलता है
${\textstyle \chi _{\text{b}}={\frac {n\mu _{0}\mu ^{2}}{3KV}}}$ अवरुद्ध अवस्था में संवेदनशीलता है
${\textstyle \tau ={\frac {\tau _{\text{N}}}{2}}}$ सभा का विश्राम समय है

इस आवृत्ति-निर्भर संवेदनशीलता से, निम्न-क्षेत्रों के लिए चुंबकत्व की समय-निर्भरता प्राप्त की जा सकती है:

\tau {\frac {\mathrm {d} M}{\mathrm {d} t}}+M=\tau \chi _{\text{b}}{\frac {\mathrm {d} H}{\mathrm {d} t}}+\chi _{\text{sp}}H

माप

एक सुपरपैरामैग्नेटिक सिस्टम को चुंबकीय संवेदनशीलता माप के साथ मापा जा सकता है, जहां एक लागू चुंबकीय क्षेत्र समय में भिन्न होता है, और सिस्टम की चुंबकीय प्रतिक्रिया को मापा जाता है। एक सुपरपैरामैग्नेटिक सिस्टम एक विशिष्ट आवृत्ति निर्भरता दिखाएगा: जब आवृत्ति 1/τ से बहुत अधिक हो_N, जब आवृत्ति 1/τ से बहुत कम होगी तो उससे भिन्न चुंबकीय प्रतिक्रिया होगी_N, चूंकि बाद वाले मामले में, लेकिन पहले वाले मामले में नहीं, लौहचुंबकीय समूहों के पास अपने चुंबकत्व को फ़्लिप करके क्षेत्र पर प्रतिक्रिया करने का समय होगा।^[4] सटीक निर्भरता की गणना नील-अरहेनियस समीकरण से की जा सकती है, यह मानते हुए कि पड़ोसी समूह एक दूसरे से स्वतंत्र रूप से व्यवहार करते हैं (यदि क्लस्टर बातचीत करते हैं, तो उनका व्यवहार अधिक जटिल हो जाता है)। दृश्यमान तरंग दैर्ध्य रेंज में आयरन ऑक्साइड नैनोकणों जैसे मैग्नेटो-ऑप्टिकल रूप से सक्रिय सुपरपैरामैग्नेटिक सामग्रियों के साथ मैग्नेटो-ऑप्टिकल एसी संवेदनशीलता माप करना भी संभव है।^[5]

हार्ड ड्राइव पर प्रभाव

सुपरपैरामैग्नेटिज्म उपयोग किए जा सकने वाले कणों के न्यूनतम आकार के कारण हार्ड डिस्क ड्राइव के भंडारण घनत्व पर एक सीमा निर्धारित करता है। एरियाल घनत्व (कंप्यूटर स्टोरेज) पर यह सीमा | एरियाल-घनत्व को सुपरपैरामैग्नेटिक सीमा के रूप में जाना जाता है।

पुरानी हार्ड डिस्क तकनीक अनुदैर्ध्य रिकॉर्डिंग का उपयोग करती है। इसकी अनुमानित सीमा 100 से 200 Gbit/in है².^[6]
वर्तमान हार्ड डिस्क तकनीक लंबवत रिकॉर्डिंग का उपयोग करती है। As of July 2020^[update] लगभग 1 Tbit/in की घनत्व वाली ड्राइव²व्यावसायिक रूप से उपलब्ध हैं।^[7] यह पारंपरिक चुंबकीय रिकॉर्डिंग की उस सीमा पर है जिसकी भविष्यवाणी 1999 में की गई थी।^[8]^[9]
वर्तमान में विकास में भविष्य की हार्ड डिस्क प्रौद्योगिकियों में शामिल हैं: हीट-असिस्टेड चुंबकीय रिकॉर्डिंग (एचएएमआर) और माइक्रोवेव-सहायता प्राप्त चुंबकीय रिकॉर्डिंग (एमएएमआर), जो ऐसी सामग्रियों का उपयोग करते हैं जो बहुत छोटे आकार में स्थिर होती हैं।^[10] किसी बिट के चुंबकीय अभिविन्यास को बदलने से पहले उन्हें स्थानीय हीटिंग या माइक्रोवेव उत्तेजना की आवश्यकता होती है। बिट-पैटर्न वाली रिकॉर्डिंग (बीपीआर) महीन दाने वाले मीडिया के उपयोग से बचती है और यह एक और संभावना है।^[11] इसके अलावा, मैग्नेटाइजेशन की टोपोलॉजिकल विकृतियों पर आधारित मैग्नेटिक रिकॉर्डिंग तकनीकें, जिन्हें स्किर्मियन्स के नाम से जाना जाता है, प्रस्तावित की गई हैं।^[12]

अनुप्रयोग

सामान्य अनुप्रयोग

लौह द्रव : ट्यून करने योग्य चिपचिपाहट

बायोमेडिकल अनुप्रयोग

इमेजिंग: चुंबकीय अनुनाद इमेजिंग (एमआरआई) में कंट्रास्ट एजेंट
चुंबकीय पृथक्करण: कोशिका-, डीएनए-, प्रोटीन- पृथक्करण, आरएनए मछली पकड़ना
उपचार: लक्षित दवा वितरण, चुंबकीय अतिताप, मैग्नेटोफेक्शन

यह भी देखें

संदर्भ

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↑ Cornia, Andrea; Barra, Anne-Laure; Bulicanu, Vladimir; Clérac, Rodolphe; Cortijo, Miguel; Hillard, Elizabeth A.; Galavotti, Rita; Lunghi, Alessandro; Nicolini, Alessio; Rouzières, Mathieu; Sorace, Lorenzo (2020-02-03). "क्रोमियम (II)-आधारित विस्तारित धातु परमाणु श्रृंखलाओं में चुंबकीय अनिसोट्रॉपी और एकल-अणु चुंबक व्यवहार की उत्पत्ति". Inorganic Chemistry. 59 (3): 1763–1777. doi:10.1021/acs.inorgchem.9b02994. ISSN 0020-1669. PMC 7901656. PMID 31967457.
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स्रोत

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बाहरी संबंध

[Neel49-1] Néel, L. (1949). "Théorie du traînage magnétique des ferromagnétiques en grains fins avec applications aux terres cuites". Ann. Géophys. 5: 99–136. (in French; an English translation is available in Kurti, N., ed. (1988). Selected Works of Louis Néel. Gordon and Breach. pp. 407–427. ISBN 978-2-88124-300-4.).

[2] Cornia, Andrea; Barra, Anne-Laure; Bulicanu, Vladimir; Clérac, Rodolphe; Cortijo, Miguel; Hillard, Elizabeth A.; Galavotti, Rita; Lunghi, Alessandro; Nicolini, Alessio; Rouzières, Mathieu; Sorace, Lorenzo (2020-02-03). "क्रोमियम (II)-आधारित विस्तारित धातु परमाणु श्रृंखलाओं में चुंबकीय अनिसोट्रॉपी और एकल-अणु चुंबक व्यवहार की उत्पत्ति". Inorganic Chemistry. 59 (3): 1763–1777. doi:10.1021/acs.inorgchem.9b02994. ISSN 0020-1669. PMC 7901656. PMID 31967457.

[3] Gittleman, J. I.; Abeles, B.; Bozowski, S. (1974). "Superparamagnetism and relaxation effects in granular Ni-SiO₂ and Ni-Al₂O₃ films". Physical Review B. 9 (9): 3891–3897. Bibcode:1974PhRvB...9.3891G. doi:10.1103/PhysRevB.9.3891.

[4] Martien, Dinesh. "Introduction to: AC susceptibility" (PDF). Quantum Design. Retrieved 15 Apr 2017.

[5] Vandendriessche, Stefaan; et al. (2013). "सुपरपैरामैग्नेटिक सामग्रियों की मैग्नेटो-ऑप्टिकल हार्मोनिक ससेप्टोमेट्री". Applied Physics Letters. 102 (16): 161903–5. Bibcode:2013ApPhL.102p1903V. doi:10.1063/1.4801837.

[6] Kryder, M. H. (2000). सुपरपैरामैग्नेटिक सीमा से परे चुंबकीय रिकॉर्डिंग. Magnetics Conference, 2000. INTERMAG 2000 Digest of Technical Papers. 2000 IEEE International. p. 575. doi:10.1109/INTMAG.2000.872350. ISBN 0-7803-5943-7.

[7] "Computer History Museum: HDD Areal Density reaches 1 terabitper square inch".

[8] Wood, R. (January 2000). "R. Wood, "The feasibility of magnetic recording at 1 Terabit per square inch", IEEE Trans. Magn., Vol. 36, No. 1, pp. 36-42, Jan 2000". IEEE Transactions on Magnetics. 36 (1): 36–42. doi:10.1109/20.824422.

[9] "हिताची ने टेराबाइट हार्ड ड्राइव को चौगुना करने के लिए नैनोटेक्नोलॉजी की उपलब्धि हासिल की है" (Press release). Hitachi. October 15, 2007. Retrieved 1 Sep 2011.

[10] Shiroishi, Y.; Fukuda, K.; Tagawa, I.; Iwasaki, H.; Takenoiri, S.; Tanaka, H.; Mutoh, H.; Yoshikawa, N. (October 2009). "Y. Shiroishi et al., "Future Options for HDD Storage", IEEE Trans. Magn., Vol. 45, No. 10, pp. 3816-22, Sep. 2009". IEEE Transactions on Magnetics. 45 (10): 3816–3822. doi:10.1109/TMAG.2009.2024879. S2CID 24634675.

[11] Murray, Matthew (2010-08-19). "Will Toshiba's Bit-Patterned Drives Change the HDD Landscape?". PC Magazine. Retrieved 21 Aug 2010.

[12] Fert, Albert; Cros, Vincent; Sampaio, João (2013-03-01). "ट्रैक पर स्किर्मियन्स". Nature Nanotechnology. 8 (3): 152–156. Bibcode:2013NatNa...8..152F. doi:10.1038/nnano.2013.29. ISSN 1748-3387. PMID 23459548.

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