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dominios magnéticos en un ferromagneto; pequeñas partículas
bulk Cristal >1015 átomos
>10 µm
dominio:
1-10 µm
(1012-1015
átomos)
partícula
submicrométrica:
(<1012 átomos)
Alta relación
superficie/volumen
monodominio
Eje fácil
Momento magnético
Al spin atómico s le corresponde un momento magnético m o µ :
r
r
µ = − g s µB
ferromagneto
Existe una interacción de corto alcance, de origen cuántico, llamada
interacción de intercambio, que induce el ordenamiento paralelo de spines y
momentos magnéticos.
r r
Eexij = −2 J si ⋅ s j
En presencia de un campo magnético externo H cada momento interactúa
con los vecinos vía intercambio y con el campo externo vía la interacción
Zeeman.
(
)
r
r r
Ei = − µi ⋅ µ 0 H − 2∑ J si ⋅ s j
r
j
paramagneto
No hay interacción entre los momentos magnéticos. En presencia de un
campo magnético externo H cada momento sólo experimenta la interacción
Zeeman.
r r
r r
Ei = − µi ⋅ B = − µ 0 µi ⋅ H
µ0 = 4 πE-7 (unidades SI): permeabilidad del vacío
superparamagneto
Partículas magnéticas monodominio que no interactúan entre sí. La
partícula tiene un momento total igual a la suma vectorial de sus momentos
atómicos (supermomento). Poseen anisotropía (eje fácil).
r
r at
µ p = ∑ µi
i
r
En el caso más simple:
K
r at
µ p = Nµ i
A temperaturas altas, en presencia de un campo magnético externo H sólo se
observa la interacción Zeeman de la partícula con el campo.
(
r
E p = − µ p ⋅ µ0 H
r
)
Efecto de la anisotropía y la temperatura
en partículas pequeñas
Propiedades magnéticas de partículas pequeñas, monodominio,
Efecto de la temperatura: régimen superparamagnético
Eje
fácil (K)
(Momento de la partícula)
θ
M
∆EK = KV sen2 θ
H
barrera de energía
τ
Tiempo de relajación
τ = τ0 exp(KV/kT)
θ
M
energía de
anisotropía (EK)
Langevin
K
L(x)=coth(x)-1/x
T > TB
kT > KV → τ << τexp → régimen superparamagnetico
H/T
x=µB/kT
Magnetización
Propiedades magnéticas de partículas pequeñas, monodominio,
Momentos
Ordenados
M0
Momentos
Desordenados
BULK
macro
Momento
Atómico
Desorden térmico
para
ferro
Magnetización
Temperatura
bloqueado
TC
interacciones
de partículas
nano
Superpara
ferro
Temperatura TB
TC
Momento de
Partícula :
supermomento
para
Partícula pequeña
Propiedades magnéticas de partículas pequeñas, monodominio,
Temperaturas
bajas: régimen
bloqueado
-HK
HK
K
M
-HK
HK
τ = τ0 exp(KV/kT)
T < TB
kT < KV → τ >> τexp → regime bloqueado
Propiedades magnéticas de partículas pequeñas, monodominio,
Magnetic or
“magnetotactic”
bacteria
Registro magnético
Registro Magnético en el
Fondo Oceánico
Deriva continental
Fondo Oceánico
Gilbert
Gauss
El fondo marino
se separa, la roca
muestra franjas
magné
magnéticas
simé
simétricas
alejá
alejándose de la
falla
Fondo Oceánico
Vista superior de un
patró
patrón magné
magnético
del área de la falla.
La polaridad normal
está
está indicada en
negro y la inversa
por los espacios
blancos
El campo magné
magnético terrestre, aparentemente generado por el
movimiento convectivo del nú
núcleo lí
líquido del planeta, cambia de
polaridad caó
caóticamente con un perí
período medio de unos 100,000 añ
años.
Datos
1953 - MIT - Whirlwind - Memoria de Nú
Núcleo Magné
Magnético
Datos
6.25
mm
Núcleos de memoria de
Whirlwind
Datos
Proyecto Whirlwind
19531953-1970
CESPI: IBM 1620 16 kB, IBM 360 256 kB
Datos
¿Cómo trabaja un disco duro?
How does a Hard-disk work?
http://www.sciam.com/2000/0500issue/0500toig.html
Datos
Registro magnético en disco
1 Gb/in2
Cerca del
límite
superparamagnético !!
τ = τ0 exp(KV/kT)
Material magnético granular (Co-Pt-Cr).
B, Ta, etc. para minimizar la transición entre “dominios” a fin de
alcanzar alta densidad de flujo magnético perpendicular a la superficie.
El flujo magnético en la superficie del disco rotante es sensado por la
cabeza lectora.
[Figura: J. Stöhr, IBM Research Center.]
Datos
Registro magnético en disco
Los bits de información se graban con la cabeza inductiva.
El flujo magnético en la superficie del disco rotante es
sensado por la cabeza lectora magneto-resistiva.
http://www.hddtech.co.uk/resource/hard-disk-functionality.htm
Datos
Discos duros - evolución
Form factor
Width
Largest capacity
Platters (Max)
5.25″ FH
146 mm 47 GB[22] (1998)
14
5.25″ HH
146 mm 19.3 GB[23] (1998)
4[24]
3.5″
102 mm 2 TB[25] (2009)
4
2.5″
69.9 mm 500 GB[26] (2008)
3
1.8″ (CE-ATA/ZIF)
54 mm
250 GB[27] (2008)
3
1.3″
43 mm
40 GB[28] (2007)
1
1″ (CFII/ZIF/IDE-Flex)
42 mm
20 GB (2006)
1
0.85″
24 mm
8 GB[29] (2004)
1
As of December 2008 a single 3.5" platter was able to hold
500GB worth of data
http://
http://en.wikipedia.org
://en.wikipedia.org/
en.wikipedia.org/wiki/
wiki/Hard_disk_drive#cite_noteHard_disk_drive#cite_note20
Datos
Diseño nanoscópico de nuevos materiales
para almacenamiento de datos
http://www.solid-state.com/display_article/236129/5/none/none/DtStr/Hard-Disk-Drives:Magnetic-head-processing-technology-for-small-form-factor-hard-drive
Datos
Diseño nanoscópico de nuevos materiales
para almacenamiento de datos
Nanomagnetos fabricados por (a) electroplateado, (b) evaporación, (c) lift-off. Los objetos de la Fig 1a
son nanomagnetos de Ni de 220 nm de alto y 90 nm diametro. Los nanomagnetos de Ni de la Fig. 1b,
fueron formados por evaporación y despegue lift-off. La Fig. 1c muestra nanomagnetos elongados de
Co con eje magnético fácil en el plano. http://nanoweb.mit.edu/annual-report00/10.html
Imagen topográfica (a) y magnética (b) de los objetos de Ni de la Fig 1a. Círculos oscuros:
magnetization apuntando hacia ariba, círculos claros: magnetization hacia abajo. Magnetization “up”
puede interpretarse como el binario '1' y Magnetization “down” como el binario ‘0’
http://nanoweb.mit.edu/annual-report00/10.html
MS
materiales magnéticos blandos
Alta permeabilidad,
µ = B / H = µ 0 (1 + χ)
MR
Baja coercitividad, HC = H(M = 0 or B = 0)
v v
WH = ∫ B.dH
bajas pérdidas,
HC
saturation y magnetización remanente altas, MS=M(H→∞); MR=M(H=0)
temperatura de orden alta, TC
alta resistividad, ρ
materiales magnéticos ultra-blandos
µ/µ0 ≥ 105
HC ≤ 1 A/m
propiedades
extrínsecas
MS ≥ 8x105 A/m
MR ≥ 4x105 A/m
TC ≥ 600 K
WH
propiedades intrínsecas
materiales magnéticos ultra-blandos
Importancia de mejorar estas propiedades
ejemplo: transformador; efecto de µ y MS
H = αN1i
v
v
B = µH
v v
Φ = ∫ B.dS
S
Φ máximo para µ y
consecuentementeBS máximos
fem2 = − N 2 dΦ / dt
d ad
i
c
i
r
elect n el
a
l
a
tod pierde e y
e
d
10% ada se
isión
m
s
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r
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8
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Una alt
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or
dist
p
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es d
ción
e
materiales magnéticos ultra-blandos
Evolución hacia materiales nanoestructurados y nanocompuestos
aleaciones ferromagnéticas amorfas
materiales magnéticos ultra-blandos
evidencias experimentales para el Modelo de Anisotropía Aleatoria
Ultra blando,
Finemet,
Nanoperm,
Hitperm
Transformadores,
etc.
materiales magnéticos ultra-blandos
Keff ≈ 10 J/m3
50 nm
TEM
m
Ato e
b
pro sis
ly
ana
materiales magnéticos ultra-blandos
APLICACIONES
RES
O
D
MA
R
O
SF
N
A
TR
EL
EC
TR
OI
M
BLINDAJE
LÁMINA PARA
MAGNÉTICO
AN
ES
materiales magnéticos ultra-blandos
Permeabilidad vs frecuencia
finemet
materiales magnéticos ultra-blandos
Permeabilidad vs
tiempo
finemet
materiales magnéticos ultra-blandos
pérdida de potencia vs
frecuencia
finemet
materiales magnéticos ultra-blandos
propiedades comparativas a f = 1 kHz
materiales
amorfos y
nanocristalinos
materiales
convencionales
Finale… e
recomendazione…
Los superimanes no son para
las heladeras…