[論文レビュー] Classical and quantum magnetization reversal studied in nanometer-sized particles and clusters

Wolfgang Wernsdorfer|arXiv (Cornell University)|Jan 9, 2001

Magnetic properties of thin films被引用数 44

ひとこと要約

本稿は、ナノメートルサイズの磁性粒子および分子クラスターにおける古典的および量子的磁化反転メカニズムについて、微小SQUIDを用いた先進的な単粒子測定技術を用いて包括的なレビューを提供している。実験的に、磁化反転が一様回転、カールイング、ドメイン壁の核生成、および量子トンネル効果を介して起こることを示しており、特に超低温下でのFe8およびCoクラスターにおける磁化の量子トンネル効果に強く裏付けられる証拠が得られている。

ABSTRACT

Nanometer-sized magnetic particles have generated continuous interest as the study of their properties has proved to be scientifically and technologically very challenging. In this article we reviewed the most important theories and experimental results concerning the magnetization reversal of single-domain particles,clusters and molecular clusters. Sect.1 reviews briefly the commonly used measuring techniques. Among them, electrical transport measurements, Hall probes and micro-SQUID techniques seem to be the most convenient techniques for low temperature measurements. Sect.2 discusses the mechanisms of magnetization reversal in single domain particles at zero Kelvin. The influence of temperature on the magnetization reversal is reported in Sect.3. Finally, Sect.4 shows that for very small systems or very low temperature, magnetization can reverse via quantum tunneling. The boundary between classical and quantum physics has become a very attractive field of research. This section discusses detailed measurements which demonstrated that molecular magnets offer an unique opportunity to explore the quantum dynamics of a large but finite spin. We then discussed tunneling in nanoparticles and showed how one might give a definite proof of their quantum character at low temperature.

研究の動機と目的

• 単一ドメイン磁性ナノ粒子および分子クラスターにおける磁化反転の基本的メカニズムを理解すること。
• ナノスケールにおける磁化ダイナミクスの古典的挙動から量子的挙動への遷移を調査すること。
• アンサンブル平均化を回避し、固有の磁性特性を抽出するために単粒子測定技術を不可欠なツールとして確立すること。
• ネール＝ブラウンモデルによる熱的励起反転の実験的妥当性とその逸脱を検証すること。
• Fe8などの分子磁性体および単一ドメインナノ粒子における磁化の量子トンネル効果、ならびに環境によるデコherence効果を調査すること。

提案手法

• 個々のナノ粒子およびクラスターにおける超高感度・低温度磁化測定を実現するため、微小SQUID磁化計測技術を用いた。
• ヒステリシスループおよびスイッチング場の高精度測定を実現するため、臨界電流法およびフィードバックモード技術を適用した。
• 三次元磁化スイッチングおよび核生成場の研究のため、コールドモードおよびブラインドモード手法を用いた。
• ネール＝ブラウンモデルの熱的励起反転を検証するため、ウェイティングタイム測定、スイッチング場測定、トランジスタノイズ測定を実施した。
• 高スピン分子クラスターにおける量子トンネル効果をモデル化するため、ランダウ＝ツェナートンネル効果解析および正確な対角化法を用いた。
• プロコフィエフ＝スタンプ理論およびホールドギング法を用いて、Fe8およびMn12クラスターにおける双極子相互作用およびハイパーフィン相互作用を調査した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ドメイン壁形成エネルギースケール未満の単一ドメインナノ粒子では、磁化はどのように反転するのか？
• RQ2 ネール＝ブラウン理論およびコフィー理論は、ナノスケール系における熱的励起反転をどの程度正確に記述できるか？
• RQ3 Fe8およびCoクラスターのような分子クラスターにおける磁化の量子トンネル効果を実験的に確認するための明確なシグナチャーは何か？
• RQ4 双極子相互作用およびハイパーフィン相互作用を含む環境相互作用は、分子磁性体における量子コherenecの維持にどのように影響するか？
• RQ5 低温度下における個々のナノ粒子の磁化反転が、明確に量子力学的性質を示すと結論づけることは可能か？

主な発見

• 10 nm未満の粒子では、ドメイン壁エネルギースケール未満の条件下で磁化反転が一様回転により起こることをCoZr粒子のヒステリシスループにより確認した。
• S = 10のFe8クラスターにおいて、磁化の量子トンネル効果が実験的に観測され、磁場依存の離散的エネルギー準位分裂およびトンネル分裂の振動が観察された。
• S ≈ 800の3 nm Feクラスターでは、スイッチング場の角度依存性が顕著に古典的ストナーウォルファースト行動から逸脱しており、大きなスピン基底状態の存在を示した。
• トランジスタノイズおよびウェイティングタイム測定により、Coクラスターにおけるネール＝ブラウンモデルの妥当性が確認され、ミリケルビン温度域での特徴的な緩和時間が秒オーダーであることが示された。
• NiワイヤおよびFe8において、ネール＝ブラウンモデルからの逸脱が観察され、環境によるデコherenceおよびスピンスピン相互作用が原因であるとされた。
• ホールドギング法を用いた定量的評価により、双極子およびハイパーフィン相互作用がFe8およびMn12クラスターにおけるランダウ＝ツェナートンネル確率に顕著な影響を与えることが明らかになった。