超顺磁性

物理学名词

超顺磁性（Superparamagnetism）是指颗粒小于临界尺寸时具有单畴结构的铁磁物质，在温度低于居里温度且高于转变温度（Block Temperature）时表现为顺磁性特点，但在外磁场作用下其顺磁性磁化率远高于一般顺磁材料的磁化率，称为超顺磁性。临界尺寸与温度、材料有关，铁磁性转变成超顺磁性的温度常记为TB，称为转变温度。超顺磁性随磁场的变化关系不存在磁滞现象，这与一般顺磁性相同。但在整个颗粒内存在自发磁化，即各原子磁矩的取向基本一致，只是整体磁矩的取向因受热运动的作用而随时在变化。

基本定义

超顺磁性（superparamagnetism)：如果磁性材料是一单畴颗粒的集合体，对于每一个颗粒而言，由于磁性原子或离子之间的交换作用很强，磁矩之间将平行取向，而且磁矩取向在由磁晶各向异性所决定的易磁化方向上，但是颗粒之间由于易磁化方向不同，磁矩的取向也就不同。现今，如果进一步减小颗粒的尺寸即体积，因为总的磁晶各向异性能正比于K1V，热扰动能正比于kT（K1是磁晶各向异性常数，V是颗粒体积，k是玻尔兹曼常数，T是样品的绝对温度），颗粒体积减小到某一数值时，热扰动能将与总的磁晶各向异性能相当，这样，颗粒内的磁矩方向就可能随着时间的推移，整体保持平行地在一个易磁化方向和另一个易磁化方向之间反复变化。从单畴颗粒集合体看，不同颗粒的磁矩取向每时每刻都在变换方向，这种磁性的特点和正常顺磁性的情况很相似，但是也不尽相同。因为在正常顺磁体中，每个原子或离子的磁矩只有几个玻尔磁子，但是对于直径5nm的特定球形颗粒集合体而言，每个颗粒可能包含了5000个以上的原子，颗粒的总磁矩有可能大于10000个玻尔磁子。所以把单畴颗粒集合体的这种磁性称为超顺磁性。

特点

介绍

超顺磁性行为有两个最重要的特点：一是如果以磁化强度M为纵坐标，以H/T为横坐标作图（H是所施加的磁场强度，T是绝对温度），则在单畴颗粒集合体出现超顺磁性的温度范围内，分别在不同的温度下测量其磁化曲线，这些磁化曲线必定是重合在一起的。二是不会出现磁滞，即集合体的剩磁和矫顽力都为零。

当铁磁体或亚铁磁体的尺寸足够小的时候，由于热骚动影响，这些纳米粒子会随机地改变方向。假设没有外磁场，则通常它们不会表现出磁性。但是，假设施加外磁场，则会被磁化，就像顺磁性一样，而且磁化率超大于顺磁体的磁化率。

重要性

对于磁性集合体来说，有两个量很重要：一是出现超顺磁性的临界尺寸（直径）Dp。如果颗粒系统的温度保持恒定，则只有当颗粒尺寸D≤Dp才有可能呈现超顺磁性，该直径小于单畴颗粒的临界直径。二是截止温度TB，对于足够小的磁性颗粒，存在一特征温度TB，当温度T铁磁性或亚铁磁性）；T≥TB时，颗粒呈现超顺磁性。

理论诠释

超顺磁性是指铁磁性物质的颗粒小于临界尺寸时，外场产生的磁取向力不足以抵抗热骚动的干扰，其磁化性质与顺磁体（见顺磁性）相似，称作超顺磁性。临界尺寸与温度有关，例如球状铁粒在室温的临界半径为12.5纳米，而在4.2K时半径为2.2纳米还是铁磁性的。

超顺磁体的磁化曲线与铁磁体不同，没有磁滞现象。当去掉外磁场后，剩磁很快消失。如以H/T（H是磁场强度，T是绝对温度）为坐标横轴，不同温度的磁化曲线合而为一，可用顺磁体的磁化公式（朗之万函数或布里渊函数）表示。外加磁场时，在普通顺磁体中，单个原子或分子的磁矩独立地沿磁场取向；而超顺磁体以包含大于105个原子的均匀磁化的单畴作为整体协同取向，所以磁化率较一般顺磁体大很多。

超顺磁效应

磁性材料的磁性随温度的变化而变化，当温度低于居里点时，材料的磁性很难被改变；而当温度高于居里点时，材料将变成“顺磁体”（paramagnetic），其磁性很容易随周围的磁场改变而改变。如果温度进一步提高，或者磁性颗粒的粒度很小时，即便在常温下，磁体的极性也呈现出随意性，难以保持稳定的磁性能，这种现象被就是所谓超顺磁效应（SuperparaMagnetic Effect）。

英文名称

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超顺磁效应∶super-paramagnetic effect

超顺磁效应概述

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自1956年IBM推出RAMAC以来，硬盘的存储密度从当初200bits/in2提升到现在的100Gbits/in2，整整提高了5千万倍！但是，由于存储位变得越来越小，会出现超顺磁性效应，热扰动会降低信号强度，甚至导致存储失效。

硬盘发展无法避开超顺磁效应

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硬盘盘片是通过在盘基上涂覆一层磁性材料制成的，常用的磁性材料为钴铂铬硼（CoPtCrB）合金。磁性材料的颗粒大小直接影响盘片的磁记录密度，因为磁盘上表示信息的小磁极是由数百个磁性颗粒组成，磁记录密度越高，要求磁性材料的粒度越细。硬盘的磁记录密度为20Gbpsi（每个盘片约为30GB）时，磁性颗粒的直径为13nm，磁性涂层的厚度为17nm左右。要实现100Gbpsi的磁记录密度，就必须把粒径和涂层厚度分别缩小到9.5nm和10nm。

随着磁性颗粒的缩小，表示数据的小磁极会变得越来越不稳定。引起不稳定的原因在于热能，磁性颗粒必须拥有足够的磁能才能抗拒颗粒所具有的热能的干扰。热能为玻耳兹曼常数与温度的乘积，热能随温度升高而增强；而磁能的大小取决于磁力大小和粒子体积，由于已经使用磁性最强的材料，没有进一步增强磁力的空间了，因此磁性颗粒的磁能将随粒度的缩小而降低。如果继续降低磁性颗粒的体积，以至于磁能低于热能，硬盘本身的温度甚至室温就可以让磁性颗粒的极性从有序变成无序，导致小磁极的整体极性消失，如图1（a）。这种现象被称为“热搅动（Thermal Fluctuation）”，热搅动现象将导致数据的永久性丢失。所以说，为提高硬盘存储密度而缩小磁性颗粒的粒度做法是有限度的。

另一方面，磁盘表面用于表示数据的每个小磁极是由许多磁性颗粒构成的，相邻的两个磁磁极之间在盘面上呈现犬牙交错的形态从而造成小磁极边缘的磁通相互抵消，这就是所谓的“磁转变噪音（Magnetic Transition Noise）”。磁转变噪音减小了磁极的磁场强度，这对读取信息构成一定的负面影响。如果磁极没有足够的长度，磁头将很难读取磁盘信息。为了缩短小磁极的长度，同时又要避免这种噪音的影响，只有通过缩小磁性颗粒的直径，以使磁极的边缘看上去相当“平齐”而非“犬牙交错”。为了实现100Gbpsi的记录密度就必须制作出10nm以下的结晶。

综合以上两种情况，磁盘上的磁性颗粒既不能太大，也不能太小。太大会因为磁转变噪音而降低磁通量，给读盘带来困难；而太小又容易发生热搅动，导致记录信息的彻底消失。提高存储密度的工作陷入了两难困境，如果没有相应对策，硬盘容量增长的旅程将就此止步。

反铁磁耦合，锁定存储位

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为克服超顺磁效应的障碍，研究人员找到了一些办法，其中最具代表性的技术是IBM的AFC。（Anti Ferro_ magnetically Coupled，反铁磁耦合）和富士通的SFM（Synthetic Ferro Media，合成铁介质），它们虽然名称不同，原理则基本相同，都是通过使用多层磁体结构来稳定磁记录信息的技术。下面简单介绍一下AFC技术的实现原理。普通磁盘的磁性涂层只有一层，而使用AFC技术，将磁性材料制成多层结构，除记录层以外，再使用稳定层，并且在记录层和稳定层之间增加一个钌层（Ru layer）。钌(Ru)元素属铂族金属，为稀有金属，价格十分昂贵，正因为如此，IBM才称它为“仙尘”（Pixie Dust），AFC也因此成为一个价格高昂的技术。钌元素具有反铁磁性，它能使相邻两层之间的磁场方向相反。当写磁盘时，磁头所产生的磁场不仅可以在最上层产生小磁极，由于钌层的存在，写电流所产生的磁场还穿过钌层使稳定层磁化，并使稳定层与记录层磁体极性相反。稳定层与记录层之间因磁场反向，异性相吸而相互锁定，从而实现记录层磁场的稳定。传统介质出现超磁现象的线密度为200Gbpsi，而使用AFC介质后出现超磁现象的线可以提高到达800Gbpsi。因此，AFC介质的出现再次将磁存储密度的极限向后推移。

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