Расчет потенциальных барьеров и блокирующих температур малых псевдооднодоменных частиц методами микромагнетизма

Выполнено численное моделирование процесса перемагничивания малых псевдооднодоменных частиц магнетита (Т_с = 580 °С) цилиндрической формы высотой h = 60–350 нм и отношением высоты к диаметру, равным 1.29. Такая геометрия обеспечивает преимущественную анизотропию формы, так что в стабильном состоянии магнитный момент частицы направлен вдоль оси цилиндра. Показано, что с увеличением размера доменная структура трансформируется от однодоменного состояния (60 нм) к моде flower (h = 70‒85 нм) и далее к вихревой структуре. Перемагничивание частиц при h = 75‒250 нм осуществляется через вихревое состояние с осью, направленной вдоль их диаметра. В диапазоне h = 300‒350 нм на вершине потенциального барьера доменная структура преобразуется из единичного вихря в мультивихревое состояние. Блокирующие температуры T_b частиц лежат в дипазоне 520–580 °С, при этом зависимость Т_b(h) носит немонотонный харакер, образуя «яму» при h = 90–140 нм. Для h = 300–350 нм Tb расположены в непосредственной близости от Тс, отличаясь от Тс не более чем на один градус. Установлено, что уже при h = 100 нм отношение магнитной энергии во внешнем поле B порядка земного к тепловой энергии при T = T_b достигает единицы, что говорит о сильной нелинейности зависимости термоостаточной намагниченности (TRM) от внешнего поля уже в столь малых полях и при малых размерах частиц. Полученные результаты свидельствуют о необходимости модификации микромагнитных моделей, применяемых в настоящее время, в сторону учета фактической формы и дефектности кристаллической структуры частиц для приведения их в соответствие со свойствами реальных ферримагнетиков, присутствующих в горных породах.

1. Néel L. Some theoretical aspects of rock-magnetism // Adv. Phys. 1955. V. 4, No 14. P. 191–243. https://doi.org/10.1080/00018735500101204.

2. Shcherbakov V.P., Shcherbakova V.V. On suitability of the Thellier method of paleointensity determinations to pseudosingledomain and multidomain grains // Geophys. J. Int. 2001. V. 146, No 1. P. 20–30. https://doi.org/10.1046/j.0956-540x.2001.01421.x.

3. Fabian K., Shcherbakov V.P. Energy barriers in three-dimensional micromagnetic models and the physics of thermoviscous magnetization // Geophys. J. Int. 2018. V. 215, No 1. P. 314–324. https://doi.org/10.1093/gji/ggy285.

4. Ó Conbhuí P., Williams W., Fabian K., Ridley P., Nagy L., Muxworthy A.R. MERRILL: Micromagnetic earth related robust interpreted language laboratory // Geochem. Geophys., Geosyst. 2018. V. 19, No 4. P. 1080–1106. https://doi.org/10.1002/2017GC007279.

5. Rave W., Fabian K., Hubert A. Magnetic states of small cubic particles with uniaxial anisotropy // J. Magn. Magn. Mater. 1998. V. 190, No 3. P. 332–348. https://doi.org/10.1016/S0304-8853(98)00328-X.

6. Davies A.J. The Finite Element Method: An Introduction with Partial Differential Equations. 2nd ed. Cary: Oxford Univ. Press, 2011. 320 p.

7. Berkov D. Numerical calculation of the energy barrier distribution in disordered many-particle systems: The path integral method // J. Magn. Magn. Mater. 1998. V. 186, No 1–2. P. 199–213. https://doi.org/10.1016/S0304-8853(98)00078-X.

8. Berkov D. Evaluation of the energy barrier distribution in many-particle systems using the path integral approach // J. Phys.: Condens. Matter. 1998. V. 10, No 5. P. L89–L95. https://doi.org/10.1088/0953-8984/10/5/002.

9. Heider F., Williams W. Note on temperature dependence of exchange constant in magnetite // Geophys. Res. Lett. 1988. V. 15, No 2. P. 184–187. https://doi.org/10.1029/GL015i002p00184.

10. Fletcher E.J., O’Reilly W. Contribution of Fe2+ ions to the magnetocrystalline anisotropy constant K1 of Fe3-xTixO4 (0<x<0.1) // J. Phys. C: Solid State Phys. 1974. V. 7, No 1. P. 171–178. https://doi.org/10.1088/0022-3719/7/1/024.

11. Heider F., Dunlop D.J., Sugiura N. Magnetic properties of hydrothermally recrystallized magnetite crystals // Science. 1987. V. 236, No 4806. P. 1287–1290. https://doi.org/10.1126/science.236.4806.1287.

12. Wang Y., Ge K., Williams W., Zhou H., Wang H., Nagy L., Tauxe L., Wang J., Liu S., Liu Y. Micromagnetic modeling of a magnetically unstable zone and its geological significances // J. Geophys. Res.: Solid Earth. 2022. V. 127, No 9. Art. e2022JB024876. https://doi.org/10.1029/2022JB024876.

13. Нагата Т. Магнетизм горных пород. М.: Мир, 1965. 348 с.

14. Prozorov R., Kogan V.G. Effective demagnetizing factors of diamagnetic samples of various shapes // Phys. Rev. Appl. 2018. V. 10, No 1. Art. 014030. https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.10.014030.

15. Shcherbakov V.P., Lhuillier F., Sycheva N.K. Exact analytical solutions for kinetic equations describing thermochemical remanence acquisition for single-domain grains: Implications for absolute paleointensity determinations // J. Geophys. Res.: Solid Earth. 2021. V. 126, No 5. Art. e2020JB021536. https://doi.org/10.1029/2020JB021536.