磁区
磁区とは、磁性材料内で磁化の方向が均一な領域のことです。つまり、原子の個々の磁気モーメントが互いに整列し、同じ方向を向いています。強磁性材料をキュリー温度と呼ばれる温度以下に冷却すると、その磁化は自発的に磁区と呼ばれる多くの小さな領域に分割されます。各領域内の磁化は均一な方向を向いていますが、異なる領域の磁化は異なる方向を向いている場合があります。磁区構造は、鉄、ニッケル、コバルトやそれらの合金などの強磁性材料、および フェライトなどのフェリ磁性材料の磁気的挙動を担っています。これには、永久磁石の形成や、強磁性材料が磁場に引き寄せられることが含まれます。磁区を隔てる領域は磁壁と呼ばれ、磁化はそこで 1 つの磁区の方向から次の磁区の方向へ一貫して回転します。磁区の研究はマイクロマグネティクスと呼ばれています。
磁区は、磁気秩序を持つ物質、すなわち交換相互作用によって双極子が自発的に整列する物質に形成されます。これらは強磁性体、フェリ磁性体、反強磁性体です。常磁性体と反磁性体では、双極子は外部磁場に反応して整列しますが、自発的には整列しないため、磁区は形成されません。
ドメイン理論の発展
磁区理論はフランスの物理学者ピエール・エルネスト・ワイス[ 1 ]によって開発され、彼は 1906 年に強磁性体における磁区の存在を示唆しました[ 2 ] 。彼は、多数の原子磁気モーメント (通常 10 12 -10 18 ) が平行に整列していると提唱しました。整列の方向は磁区ごとに多少ランダムに変化しますが、容易軸と呼ばれる特定の結晶軸が磁気モーメントに優先する場合があります。ワイスは、強磁性体内部での原子モーメントの自発的な整列の理由をまだ説明する必要があり、いわゆるワイス平均場を考案しました。彼は、物質内の特定の磁気モーメントは、その近傍の磁化により非常に高い有効磁場H eを経験すると仮定しました。オリジナルのワイス理論では、平均場はバルク磁化Mに比例するため、平均場定数となります。しかし、磁化が磁区ごとに異なるため、これは強磁性体には適用できない。この場合、相互作用場は
0K における飽和磁化は どこですか。
その後、量子論によってワイス場の微視的起源を理解することが可能になった。局在スピン間の交換相互作用は、隣接する磁気モーメントが平行状態（強磁性体の場合）または反平行状態（反強磁性体の場合）をとることを支持する。
ドメイン構造
ドメインが形成される理由
鉄などの磁性体が、物質全体で磁化が同じ方向である状態ではなく、自発的に別々のドメインに分裂する理由は、内部エネルギーを最小にするためである。[ 3 ]強磁性体の大きな領域全体で磁化が一定であれば、その外側の空間にまで広がる大きな磁場 を作り出す（図 a） 。これには、磁場に蓄えられた大量の静磁気エネルギーが必要となる。このエネルギーを減らすため、サンプルを 2 つのドメインに分割し、各ドメインの磁化を反対方向にすることができる（図 b）。磁力線は各ドメインを反対方向にループして通過し、物質外側の磁場を減らす。磁場エネルギーをさらに減らすため、これらの各ドメインも分割し、交互方向に磁化が向いた小さな平行ドメインを作り、物質外側の磁場を小さくすることができる。
実際の磁性材料の磁区構造は、ここで述べたように、大きな磁区が小さな磁区に分裂するプロセスによって形成されることは通常ありません。例えば、試料をキュリー温度以下に冷却すると、平衡磁区構成が単純に現れます。しかし、磁区は分裂する可能性があり、磁区分裂の記述は、磁区形成におけるエネルギートレードオフを明らかにするためにしばしば用いられます。
ドメインのサイズ
上で説明したように、大きすぎるドメインは不安定であり、小さなドメインに分割されます。しかし、十分に小さいドメインは安定しており、分割されず、これが材料内に作成されるドメインのサイズを決定します。このサイズは、材料内のいくつかのエネルギーのバランスに依存します。[ 3 ] 磁化領域が 2 つのドメインに分割されるたびに、ドメイン間にドメイン壁が作成され、異なる方向を向いている磁気双極子(分子) が隣接します。磁化を作成する交換相互作用は、近くの双極子が同じ方向を向くように整列する力です。隣接する双極子が異なる方向を向くようにするには、エネルギーが必要です。したがって、ドメイン壁には、ドメイン壁エネルギーと呼ばれる、壁の面積に比例する追加のエネルギーが必要です。
したがって、ドメインが分割されたときに削減される正味のエネルギー量は、節約される磁場エネルギーとドメイン壁を作成するために必要な追加エネルギーの差に等しくなります。磁場エネルギーはドメインサイズの3乗に比例し、ドメイン壁エネルギーはドメインサイズの2乗に比例します。したがって、ドメインが小さくなるにつれて、分割によって節約される正味のエネルギーは減少します。ドメインは、追加のドメイン壁を作成するためのエネルギーコストが節約される磁場エネルギーとちょうど等しくなるまで、さらに小さなドメインに分割され続けます。そして、このサイズのドメインは安定します。ほとんどの材料では、ドメインのサイズは10 −4 - 10 −6 m程度の微視的です。[ 4 ] [ 5 ] [ 6 ]
磁気異方性
物質の静磁気エネルギーをさらに低減するもう一つの方法は、単に平行に反対方向に磁化するのではなく、他のドメインに対して直角に磁化されるドメインを形成することである（図c） 。 [ 3 ] これらのドメインは磁束閉包ドメインと呼ばれ、物質内部で磁力線を180°回転させ、物質内部で完全に閉ループを形成することで、静磁気エネルギーをゼロに低減する。しかし、これらのドメインを形成するには、2つの追加のエネルギーコストがかかる。まず、ほとんどの磁性物質の結晶格子は磁気異方性を持つ。これは、結晶軸の1つに平行な「容易な」磁化方向を持つことを意味する。物質の磁化を他の方向に変更するには、「磁気結晶異方性エネルギー」と呼ばれる追加のエネルギーが必要になる。
磁歪
「容易」方向に対して角度をなす磁化を持つドメインを生成する際に消費されるもう一つのエネルギーコストは、磁歪と呼ばれる現象によって引き起こされます。[ 3 ] 磁性体の磁化方向が変化すると、その形状がわずかに変化します。磁場の変化によって磁気双極子分子の形状がわずかに変化し、結晶格子は一次元方向に長く、他の次元方向に短くなります。しかし、磁区は周囲の材料によって境界が固定され「押し込まれている」ため、実際には形状を変えることができません。そのため、磁化方向を変えることで材料に微小な機械的応力が生じ、ドメインを生成するためにより多くのエネルギーが必要になります。これは「磁気弾性異方性エネルギー」と呼ばれます。
これらの「横向き」磁化を持つ閉磁区を形成するには、前述の2つの要因により追加のエネルギーが必要です。そのため、磁束閉磁区は、節約される静磁気エネルギーが、磁壁を形成するための「交換エネルギー」、磁気結晶異方性エネルギー、および磁気弾性異方性エネルギーの合計よりも大きい場合にのみ形成されます。したがって、物質の体積の大部分は、「容易」方向に沿って「上向き」または「下向き」に磁化された磁区で占められ、磁束閉磁区は、磁力線の方向転換に必要な経路を提供するために必要な、他の磁区の端の小さな領域にのみ形成されます（上図c）。
粒子構造
上記は、鉄の単結晶に見られるような完全な結晶格子における磁区構造を説明しています。しかし、ほとんどの磁性材料は多結晶であり、微細な結晶粒で構成されています。これらの結晶粒は磁区とは異なります。個々の結晶粒は小さな結晶であり、個々の結晶粒の結晶格子はランダムな方向に配向しています。ほとんどの材料では、個々の結晶粒は複数の磁区を包含できるほどの大きさです。各結晶には磁化容易軸があり、この軸に平行な磁化軸を持つ磁区が交互に配置されています。
「磁化された」状態
以上の議論から、微視的スケールでは強磁性材料中のほぼ全ての磁気双極子が隣接する磁区と平行に並び、強い局所磁場を形成するものの、エネルギー最小化によって大規模な磁場を最小化する磁区構造が形成されることが分かる。最低エネルギー状態では、隣接する磁区の磁化は異なる方向を向き、磁力線は材料内部の隣接する磁区間の微視的ループ内に限定されるため、結合された磁場は離れた場所で打ち消される。したがって、最低エネルギー状態の強磁性材料の塊は、外部磁場をほとんど、あるいは全く持たない。この材料は「非磁化」と呼ばれる。
しかし、磁区は磁化がほぼ同一方向を向く他の配置をとることもあり、外部磁場を生成します。これらはエネルギー最小配置ではありませんが、磁壁が結晶格子の欠陥に「固定」される現象によりエネルギーが局所的に最小となり、非常に安定します。材料に外部磁場を印加すると磁壁が移動し、磁場に沿う磁壁は拡大し、反対の磁壁は縮小します。外部磁場が除去されると、磁壁は新しい方向に固定されたままになり、整列した磁壁は磁場を生成します。これは、強磁性材料が「磁化」されて永久磁石になるときに起こる現象です。
磁石を加熱したり、ハンマーで叩いて振動させたり、消磁コイルから急速に振動する磁場をかけたりすると、磁壁が固定された状態から引き離され、外部磁場が小さい低エネルギー構成に戻り、物質が 「消磁」されます。
ランダウ・リフシッツエネルギー方程式
上述の様々な内部エネルギー因子の寄与は、1935年にレフ・ランダウとエフゲニー・リフシッツによって提唱された自由エネルギー方程式によって表され、 [ 7 ]これは現代の磁区理論の基礎を形成しています。物質の磁区構造とは、その物質のギブス自由エネルギーを最小化するものです。磁性体の結晶の場合、これはランダウ・リフシッツ自由エネルギーEであり、これは以下のエネルギー項の合計です。[ 8 ]
どこ
- E exは交換エネルギーです。これは、強磁性体、フェリ磁性体、反強磁性体における磁気双極子分子間の交換相互作用によって生じるエネルギーです。双極子がすべて同じ方向を向いているときに最も低くなるため、磁性体の磁化に関与します。異なる磁化方向を持つ2つの磁区が隣接する場合、それらの間の磁壁において、異なる方向を向いた磁気双極子が隣接するため、このエネルギーが増加します。この追加の交換エネルギーは、磁壁の総面積に比例します。
- E Dは静磁気エネルギーです。これは、試料の一部の磁化によって生成される磁場が、同じ試料の他の部分に及ぼす相互作用によって生じる自己エネルギーです。このエネルギーは、磁区外に広がる磁場が占める体積に依存します。このエネルギーは、磁区外の磁力線のループ長を最小化することで低減されます。例えば、磁化は試料の表面と平行になりやすく、磁力線が試料の外側に抜け出さなくなります。このエネルギーを低減することが、磁区が形成される主な理由です。
- E λは磁気弾性異方性エネルギーです。このエネルギーは、磁化によって結晶の寸法がわずかに変化する磁歪の影響によって生じます。これにより格子に弾性ひずみが生じ、このひずみエネルギーを最小化する磁化方向が優先されます。このエネルギーは、結晶内の磁区の磁化軸がすべて平行であるときに最小化する傾向があります。
- E kは磁気結晶異方性エネルギーです。磁気異方性のため、結晶格子は一方向に磁化しやすく、他の方向に磁化しにくい性質があります。このエネルギーは、磁化が結晶の「容易軸」に沿っているときに最小化されるため、結晶粒内のほとんどの磁化領域は「容易軸」に沿ったいずれかの方向に向く傾向があります。物質の個々の結晶粒内の結晶格子は通常、異なるランダムな方向に配向しているため、異なる結晶粒内の支配的な磁化領域は異なる方向を向いています。
- E Hはゼーマンエネルギーです。これは、磁性体と外部から印加された磁場との相互作用により、静磁気エネルギーに加算または減算されるエネルギーです。これは、磁場ベクトルと磁化ベクトルのなす角度の余弦の負数に比例します。印加磁場と平行に磁場を向けている磁区はこのエネルギーを減少させ、印加磁場と反対方向に磁場を向けている磁区はこのエネルギーを増加させます。したがって、強磁性体に磁場を印加すると、一般的に磁壁が移動し、磁場とほぼ平行な磁区のサイズが増加しますが、その代償として、磁場に逆らう磁区のサイズは減少します。これは、強磁性体が「磁化」されるときに起こる現象です。十分に強い外部磁場によって、磁場に逆らう磁区は飲み込まれて消滅します。これを飽和と呼びます。
いくつかの情報源では、壁エネルギーE W を交換エネルギーと磁気結晶異方性エネルギーの合計と等しく定義しており、これは上記の式の E exとE kに置き換わります。
安定なドメイン構造は、連続したベクトル場として考えられる磁化関数M ( x )で、物質全体の全エネルギーEが最小になります。最小値を見つけるために変分法が使用され、ウィリアム・フラー・ブラウン・ジュニアにちなんでブラウン方程式と呼ばれる一連の非線形微分方程式が得られます。原理的にはこれらの方程式は安定なドメイン構成 M ( x ) に対して解くことができますが、実際には最も単純な例しか解くことができません。解析解は存在せず、有限要素法で計算される数値解は、ドメインサイズと壁サイズのスケールの差が大きいため計算上扱いにくいです。そのため、マイクロマグネティクスでは、壁から離れたドメインの大部分にある双極子の磁化がすべて同じ方向を向いていると仮定する近似法が開発され、数値解は磁化が急速に変化するドメイン壁の近くでのみ使用されます。
ドメインイメージング技術
磁性材料の表面における磁化を可視化し、磁区を明らかにするための顕微鏡観察法は数多く存在します。磁区の形状はそれぞれ異なるため、それぞれの手法は用途が異なります。磁性材料における磁区の形状は、円形、正方形、不規則形状、細長い形状、縞模様など様々であり、それぞれサイズや寸法が異なります。
磁気光学カー効果（MOKE）
25～100マイクロメートルの範囲内の大きなドメインは、磁化された表面から反射された光の偏光が回転する磁気光学カー効果を利用するカー顕微鏡で簡単に見ることができます。
ローレンツ顕微鏡
ローレンツ顕微鏡法は、ナノスケールまでの磁区構造を研究するために使用される透過型電子顕微鏡法の総称です。 [ 9 ]最も一般的な手法としては、平行ビームTEMモードにおけるフレネルモード、フーコーモード、低角電子回折（LAD）、および走査TEMモードにおける微分位相コントラスト（DPC）などがあります。オフアクシス電子ホログラフィーは、ナノスケールの磁場を検出することで磁気構造を観察するために使用される関連技術です。
磁気力顕微鏡（MFM）
数ナノメートルスケールまでの超微細ドメイン構造を観察するもう一つの技術は、磁気力顕微鏡です。MFMは、磁気コーティングされたプローブチップを用いてサンプル表面を走査する 原子間力顕微鏡の一種です。
苦い方法
ビターパターンは、フランシス・ビターによって初めて観察された磁区を画像化する技術である。[ 10 ] この技術では、少量の強磁性流体を強磁性材料の表面に塗布する。強磁性流体は、磁区内の材料領域よりも高い磁束を持つ磁区壁に沿って配列する。改良されたビター技術は、広く使用されている装置である大面積磁区ビューアに組み込まれており、特に方向性シリコン鋼の検査に有用である。[ 11 ]
参照
参考文献
- ^ワイス、P. (1906)。 「Lavariationduferromagnetismedutemperature」[温度による強磁性の変化]。Comptes Rendus (フランス語)。143 : 1136–1149。、 Cullity & Graham 2008、p. 116より引用
- ^ Cullity, BD; Graham, CD (2008).磁性材料入門（第2版）. ニューヨーク: Wiley–IEEE. ISBN 978-0-471-47741-9。。
- ^ a b c dファインマン、リチャード・P. ;ロバート・B・レイトン;マシュー・サンズ(1963). 『ファインマン物理学講義第2巻』. 米国: カリフォルニア工科大学. pp. 37.5 – 37.6 . ISBN 0-201-02117-X。
{{cite book}}:ISBN / 日付の非互換性（ヘルプ）CS1 メンテナンス: url-status (リンク) - ^ダンロップ、デイビッド J.;オズデミール、オズデン (1997)。岩石の磁性：基礎とフロンティア。ケンブリッジ大学出版局。ISBN 9780511612794。
- ^ダンロップ、デイビッド J.;オズデミル、オズデン (2001-08-30)。岩石の磁性：基礎とフロンティア。ケンブリッジ大学出版局。ISBN 978-0-521-00098-7。
- ^アルバレス、ナディア (2016). Dominios magnéticos y respuesta dinámica en aleaciones ferromagneticas de FeP [強磁性 FePt 合金の磁区と動的応答] (PhD) (スペイン語)。クージョ国立大学。 Docket 564。オリジナルの2020 年 8 月 3 日よりアーカイブ。2020 年5 月 13 日に取得。
- ^ Dan Wei (2012年4月28日).マイクロマグネティクスと記録材料. Springer Science & Business Media. ISBN 978-3-642-28577-6。
- ^ Carey R.、Isaac ED、「磁性ドメインとその観察技術」、The English University Press Ltd、ロンドン、(1966)。
- ^ホップスター, ハーバート; オーペン, ハンス・ペーター (2005).ナノ構造の磁気顕微鏡法.シュプリンガー・フェアラーク. pp. 67– 85. ISBN 3-540-40186-5。
- ^物理学辞典。オックスフォード大学出版局、2009年。
- ^ RJ Taylor, 広域ドメインビューア, SMM9論文集, 1989
- ジレス、デイヴィッド（1998年）『磁性と磁性材料入門』ロンドン：チャップマン＆ホール、ISBN 0-412-79860-3。
外部リンク
- Magnetismus und Magnetooptik磁気と磁気光学に関するドイツ語のテキスト
