[论文解读] 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 44

一句话总结

本文综述了纳米尺度磁性颗粒和分子团簇中经典与量子磁化反转机制，采用微小SQUID等先进单颗粒测量技术。实验表明，磁化反转可通过均匀旋转、涡旋、畴壁成核及量子隧穿发生，首次在极低温下为Fe8和Co团簇中的磁化量子隧穿提供了关键证据。

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.

研究动机与目标

• 理解单畴磁性纳米颗粒和分子团簇中磁化反转的基本机制。
• 研究纳米尺度磁化动力学中从经典行为到量子行为的转变。
• 确立单颗粒测量技术作为消除系综平均效应、提取本征磁性性质的关键工具。
• 为Néel–Brown热激活反转模型及其偏离提供实验验证。
• 探索Fe8等分子磁体及单畴纳米颗粒中的磁化量子隧穿，包括环境退相干效应。

提出的方法

• 采用微小SQUID磁力计对单个纳米颗粒和团簇进行超灵敏、低温磁化测量。
• 应用临界电流和反馈模式技术，高精度测量磁滞回线和开关场。
• 采用低温模式和盲态模式方法，研究三维磁化开关和成核场。
• 通过等待时间、开关场和电报噪声测量，检验Néel–Brown热激活反转模型。
• 进行Landau–Zener隧穿分析和精确对角化，模拟高自旋分子团簇中的量子隧穿。
• 利用Prokof’ev–Stamp理论和挖孔法，探测Fe8和Mn12团簇中的偶极和超精细相互作用。

实验结果

研究问题

• RQ1 在低于畴壁形成能尺度的单畴纳米颗粒中，磁化如何反转？
• RQ2 Néel–Brown和Coffey理论在多大程度上能描述纳米尺度系统中的热激活磁化反转？
• RQ3 哪些实验特征可证实Fe8和Co团簇等分子团簇中磁化量子隧穿的存在？
• RQ4 环境相互作用（如偶极和超精细耦合）如何影响分子磁体中的量子相干性？
• RQ5 在低温下，能否确证单个纳米颗粒的磁化反转具有量子力学本质？

主要发现

• 在小于10 nm的颗粒中，当颗粒尺寸低于畴壁能标度时，磁化反转通过均匀旋转发生，CoZr颗粒的磁滞回线证实了这一点。
• 在S = 10的Fe8团簇中，实验观测到磁化量子隧穿，表现为离散能级劈裂及隧穿劈裂随磁场的振荡行为。
• 在3 nm的Fe团簇（S ≈ 800）中，开关场的角依赖性明显偏离经典Stoner–Wohlfarth行为，表明存在大自旋基态。
• 电报噪声和等待时间测量证实了Co团簇中Néel–Brown模型对热激活反转的适用性，毫开尔文温度下特征弛豫时间约为秒量级。
• 在Ni丝和Fe8中观测到Néel–Brown模型的偏离，归因于环境退相干和自旋-自旋相互作用。
• 通过挖孔法定量探测了环境退相干效应，特别是偶极和超精细相互作用的影响，表明其对Fe8和Mn12团簇中Landau–Zener隧穿概率有显著影响。