Доменная структура — это пространственное распределение областей внутри ферромагнитного или ферримагнитного материала, в каждой из которых магнитные моменты атомов ориентированы одинаково. Эти области называются магнитными доменами. Между доменами существуют переходные слои — стенки доменов, где направление намагниченности изменяется постепенно. Доменная структура является результатом энергетической оптимизации системы: она минимизирует суммарную магнитную энергию материала.
Доменная структура формируется под действием нескольких конкурирующих энергетических факторов:
Энергия магнитного взаимодействия (обменная энергия) Эта энергия обусловлена квантовомеханическим обменным взаимодействием спинов соседних атомов. Она стремится выровнять спины в одном направлении и, следовательно, образует локально однородные области намагниченности.
Энергия магнитного анизотропии Связана с предпочтительным направлением намагниченности к определённым кристаллографическим осям. Минимизация этой энергии определяет ориентацию магнитных моментов внутри домена.
Энергия магнитного поля (магнитостатики) Она характеризует взаимодействие материала с внешним магнитным полем и внутренним магнитным полем, создаваемым намагниченными доменами. Разделение материала на домены снижает магнитостатическую энергию за счёт уменьшения магнитного поля вне тела.
Энергия стенок доменов Обусловлена необходимостью постепенного изменения направления магнитных моментов между соседними доменами. Толщина стенок определяется балансом между обменной энергией и энергией анизотропии.
Блоковые домены Пространственно крупные области с однородной намагниченностью, характерные для большинства ферромагнитных кристаллов.
Спонтанные домены Появляются без внешнего поля, исключительно из-за внутренней минимизации энергии.
Тонкие домены Обычно образуются в пленках и тонких слоях материала, где взаимодействие с поверхностью существенно влияет на распределение намагниченности.
Стенка домена — это область перехода между двумя соседними доменами с различной ориентацией намагниченности. Основные типы стенок:
Нéel-стенка Магнитные моменты изменяют направление в плоскости стенки. Часто встречается в тонких пленках, где поверхность играет большую роль.
Bloch-стенка Направление магнитных моментов изменяется перпендикулярно плоскости стенки. Характерна для объемных кристаллов.
Толщина стенки определяется соотношением обменной энергии и энергии анизотропии: высокая обменная энергия приводит к более широкой стенке, а высокая анизотропия — к более узкой.
Процесс формирования доменной структуры начинается при кристаллизации или охлаждении ферромагнитного материала ниже температуры Кюри. Сначала образуются микроскопические области намагниченности, которые затем сливаются в более крупные домены. Ключевые стадии:
Инициирование доменов Наиболее вероятные участки с дефектами кристаллической решетки или границами зерен служат центрами зарождения доменов.
Рост доменов Домены растут за счет движения стенок, стремясь уменьшить суммарную магнитостатическую энергию.
Стабилизация структуры Когда суммарная энергия системы достигает минимума, движение стенок прекращается, и структура становится устойчивой.
При наложении внешнего магнитного поля наблюдаются следующие эффекты:
Перемещение стенок доменов Домены, магнитный момент которых направлен вдоль поля, увеличиваются, а противоположно направленные — уменьшаются.
Поворот магнитных моментов внутри доменов Если движение стенок затруднено, намагниченность внутри домена может частично повернуться, следуя внешнему полю.
Гистерезис Характерная петля намагничивания отражает сложное взаимодействие доменов, стенок и внешнего поля. Форма петли зависит от размера доменов, плотности стенок и энергии анизотропии.
Магнитная микроскопия Позволяет визуализировать распределение доменов с высоким пространственным разрешением.
Рентгеновская магнитная тонкопленочная дифракция Используется для изучения ориентации доменов в кристаллической решетке.
Метод Мёссбауэра Определяет локальные магнитные поля и характер взаимодействия атомных спинов.
Фаринговая магнитная визуализация Обеспечивает наглядное отображение изменения доменной структуры при воздействии внешних факторов.
Спинтроника Управление доменами и стенками доменов позволяет создавать энергонезависимую память, магнитные датчики и элементы логических схем.
Магнитные материалы Доменная структура определяет коэрцитивную силу, магнитную проницаемость и потери при перемагничивании, что критично для трансформаторов, двигателей и генераторов.
Наноструктурированные материалы Контроль размера и ориентации доменов в нанопленках открывает новые возможности для высокочувствительных магнитных устройств и квантовых приложений.