Podstawy fizyki domen magnetycznych i procesów magnesowania

Domeny magnetyczne są mikroobszarami (o rozmiarach zwykle rzędu mikrometrów), w których namagnesowanie jest jednorodne (zarówno ze względu na kierunek jak i amplitudę). Rozważmy warstwę magnetyka, w której wektor magnetyzacji ustawia się tylko wzdłuż osi prostopadłej do powierzchni próbki. W takim przypadku najczęściej analizuje się model paskowej struktury domenowej schematycznie przedstawiony na rys. F1. Pod wpływem zewnętrznego pola magnetycznego H zwiększą się objętość domen, w których orientacja wektora magnetyzacji M jest zgodna z polem H. W dalszym opisie będzie wykorzystywany parametr zredukowanej magnetyzacji m, który można zdefiniować na podstawie rozmiarów struktury domenowej m(H)=(d+(H)-d-(H))/(d+(H)+d-(H)).

Rysunek F1 Model paskowej struktury domenowej w polu magnetycznym.

Do badania procesów magnesowania oraz do wizualizacji struktury domenowej wykorzystuje się efekt Faradaya (Rys. F2) – płaszczyzna liniowo spolaryzowanego światła, po przejściu przez magnetyk, ulega skręceniu o kąt +fi lub -fi w zależności od tego czy zwrot wektora magnetyzacji jest zgodny czy przeciwny do kierunku propagacji światła. Zgodnie z prawem Malusa natężenie światła po przejściu przez domenę jest proporcjonalne do:

Cos2(alpha +/- fi )

gdzie alpha jest kątem pomiędzy płaszczyznami głównymi. Odpowiednio obracając jednym z polaryzatorów można więc wygasić światło przechodzące przez domeny o określonym zwrocie wektora magnetyzacji co przedstawiono na rysunku F2. Okrągłe wstawki na tym rysunku ilustrują rzeczywiste obrazy struktur domenowych zarejestrowanych kamerą CCD przy różnych położeniach analizatora.

Rysunek F2 Wizualizacja struktury domenowej przy wykorzystaniu efektu Faradaya. Rysunki A i B odpowiadają dwóm położeniom analizatora – polaryzatora . (Animacja wizualizacji domen magnetycznych )

Często światło przechodzące przez obszar próbki zawierający wiele domen skupiane jest na pojedynczym detektorze wówczas sygnałS(H) na nim rejestrowany można powiązać z magnetyzacją próbki m wzorem:

S(H)=a + b*m(H)

Współczynniki a i b zależą od wartości kątów alpha i fi. Pomiar sygnału S, przy różnej wartości zewnętrznego pola magnetycznego H przykładanego do próbki pozwala więc na określenie krzywej magnesowania próbki m(H)

Nasz dostępny poprzez Internet , układ pomiarowy wyposażony jest w detektor oraz kamerę CCD (zawierającą siatkę detektorów). Układ ten umożliwia więc Internaucie pomiar zarówno krzywej namagnesowania m(H) jak i rejestrację obrazów struktur domenowych dla wybranych wartości pola magnetycznego. Rysunek F3 ilustruje proces namagnesowania cienkiej warstwy magnetycznej zarejestrowany z wykorzystaniem kamery CCD i pojedyńczego detektora światła. Z jego analizy widać, że zwiększając amplitudę pola magnetycznego H zwiększa się objętoć domen z wektorem magnetyzacji o zwrocie zgodnym ze zwrotem H, zwiększa się wartoć m. Próbka przechodzi w stan monodomenowy gdy |H|>Hs – pola nasycenia. Zmniejszając pole od wartoci |H|>Hs pojawiają się domeny z magnetyzacją o zwrocie przeciwnym do H w polu Hn (Hn często nazywa się polem nukleacji). Wartoć Hn jest mniejsza od Hs.Oberwujemy zjawisko histerezy magnetycznej. Do dowiadczenia internetowego wybrano próbkę – warstwę granatu, w której efekt histerezy w niewielkich polach (niewielkich w porównaniu z Hn i Hs) można pominąć.

Rysunek F3 Przykładowa krzywa histerezy i obrazy struktur domenowych zarejestrowane z wykorzystaniem naszego układu pomiarowego (animacja procesu przemagnesowania). Do bardziej szczegółowej analizy wybrano prostokąt o wymiarach 20×10 mikrometrów.

Z domenami magnetycznymi poza ciekawą fizyką można wiązać także bardzo popularne zastosowanie w postaci masowych pamięci magnetycznych tak często wykorzystywanych teraz w technologiach cyfrowych (komputery) czy przy badaniach geomagnetycznych ziemi (pamięć -historia magnetyczna ziemi).

Dodatkowe materiały można znaleźć: