В объёмных ферромагнетиках магнитное поле распределяется по доменам для минимизации магнитной энергии. При уменьшении размера частицы ниже критического значения формирование нескольких доменов становится энергетически невыгодным.
Критический размер однодоменности (D_c): Определяется балансом между энергией образования стенок доменов и энергией намагничивания. Для железа, например, D_c ~ 10–20 нм.
При размерах D < D_c частица ведёт себя как единый магнитный домен с постоянным магнитным моментом.
При дальнейшем уменьшении размера до величины, когда тепловая энергия k_BT сравнима с энергетическим барьером магнитной анизотропии (KV, где K — энергия анизотропии на единицу объёма, V — объём частицы), наблюдается переход в суперпарамагнитное состояние.
Критический размер суперпарамагнетизма (D_sp): Зависит от материала, температуры и магнитной анизотропии. Для железа и кобальта порядка нескольких нанометров (обычно 3–10 нм).
В этом диапазоне магнитные моменты частиц свободно переориентируются, что ведёт к нулевой остаточной намагниченности.
При размере частицы порядка де Бройлевской длины электрона (несколько нанометров и меньше) проявляются квантовые эффекты: дискретизация уровней энергии, изменение плотности состояний.
На этом уровне изменяется обменное взаимодействие, могут возникать эффекты спинового туннелирования и магнитного кванта.
В объёмных ферромагнетиках существуют спиновые волны (магноны), которые при уменьшении размеров наночастиц испытывают ограничение по длине волны.
Размер частицы сравним с длиной волны магнона, что изменяет спектр возбуждений и влияет на температурную стабильность магнитного состояния.
Таким образом, магнитные свойства металлических наночастиц
формируются сложным взаимодействием между размером, формой, структурой и
химической природой, что делает их объектом интенсивных фундаментальных
исследований и практических разработок в нанофизике.