Magnetization curve and magnetic characterization of a system of fine single domain particles with oblate ellipsoidal shape and large planar magnetocrystalline anisotropy

Abstract

The magnetization curve of a magnetic fine particle ensemble is calculated starting from the following assumptions: oblate ellipsoidal particle shape with the short axis perpendicular to the easy plane of the magnetocrystalline anisotropy energy, homogeneous particle magnetization, magnetization reversal by coherent rotation, and the anisotropy field strength much larger than the strength |H| of the microscopic magnetic field H. Furthermore, a particle arrangement resulting in macroscopically isotropic ensemble properties, and an exponential distribution of the shape anisotropy of the particles with respect to its easy plane is presumed. The interaction between the particles is described by treating H as a stochastic field which is determined by the symmetry of the short-range order of the particles. For packing densities ≦ 0.3, the mean value of H equals the macroscopic internal field Hi in zeroth approximation. The magnetic properties of the fine particle ensemble studied are determined by the rotation of the magnetization vector of each particle within its easy plane. The system is characterized by a low coercivity Hc of about M0/4π (M0: bulk magnetization) which is governed by the easy plane-shape anisotropy of the particles, as well as by the approach to a “pseudo-saturation state” of the magnetization rotation within the easy plane of the particles, which occurs for |Hi| > 3Hc and results in a characteristic functional dependence of the magnetization curve. It is shown that large fluctuations of |H| of about Hc/2 cause only a small increase of Hc of about 10%. Die Magnetisierungskurve eines Ensembles magnetischer Teilchen wird unter folgenden Voraussetzungen berechnet: Abgeplattet-ellipsoidförmige Teilchengeometrie mit kurzer Achse senkrecht zur leichten Ebene der magnetokristallinen Anisotropieenergie, homogene Teilchenmagnetisierung, Ummagnetisierung durch kohärente Rotation, sowie Stärke des Anisotropiefeldes viel größer als die Stärke |H| des mikroskopischen Magnetfeldes H. Außerdem wird eine Partikelanordnung angenommen, die zu makroskopisch isotropen Ensembleeigenschaften führt, sowie eine Exponentialverteilung der Formanisotropie der Partikel bezüglich ihrer leichten Ebene vorausgesetzt. Die Wechselwirkung zwischen den Partikeln wird dadurch berücksichtigt, daß H als stochastisches Feld angesehen wird, das durch die Symmetrie der Nahordnung der Partikel bestimmt wird. Für Packungsdichten ≦ 0,3 ist der Mittelwert von H in nullter Näherung gleich dem makroskopischen inneren Magnetfeld Hi. Die magnetischen Eigenschaften des Ensembles werden bestimmt durch die Drehprozesse des Magnetisierungsvektors von jedem Teilchen in dessen leichter Ebene. Charakteristische Eigenschaften der untersuchten Partikelsysteme sind niedrige Koerzitivfeldstärke Hc von der Größenordnung M0/4π (M0: Sättigungsmagnetisierung des massiven Materials), die durch die Formanisotropie der Partikel in der leichten Ebene bestimmt wird, sowie die Annäherung an einen „Pseudosättigungszustand”︁ der Drehprozesse in der leichten Ebene, die für |Hi| > 3Hc auftritt und zu einer charakteristischen funktionalen Abhängigkeit der Magnetisierungskurve führt. Es wird gezeigt, daß große Fluktuationen von |H| von etwa Hc/2 nur zu einer kleinen Vergrößerung von Hc von etwa 10% Anlaß geben.