Miền từ (Magnetic Domain)

Tại sao lại hình thành các miền từ?

Mặc dù trạng thái có tất cả các mômen từ nguyên tử sắp xếp song song (từ hóa bão hòa) có năng lượng trao đổi thấp nhất, nhưng nó lại tạo ra một trường từ mạnh bên ngoài vật liệu. Trường từ này mang năng lượng, được gọi là năng lượng từ trường. Để giảm thiểu năng lượng từ trường này, vật liệu chia thành các miền từ với hướng từ hóa khác nhau, làm cho trường từ bên ngoài yếu hơn.

Các yếu tố ảnh hưởng đến sự hình thành miền từ:

• Năng lượng trao đổi (Exchange energy): Năng lượng này có xu hướng sắp xếp các mômen từ song song với nhau.
• Năng lượng từ tinh thể (Magnetocrystalline anisotropy energy): Năng lượng này có xu hướng sắp xếp các mômen từ theo các hướng tinh thể dễ từ hóa.
• Năng lượng từ giảo (Magnetostrictive energy): Năng lượng này liên quan đến sự thay đổi kích thước của vật liệu khi bị từ hóa.
• Năng lượng tĩnh từ (Magnetostatic energy) : Tương tác giữa các cực từ riêng lẻ, có xu hướng làm cho các mômen từ nằm đối song song để khử từ bên ngoài vật liệu.
• Năng lượng thành miền (Domain wall energy): Năng lượng này liên quan đến sự tồn tại của các thành miền, là vùng chuyển tiếp giữa các miền từ có hướng từ hóa khác nhau.

Thành miền (Domain wall)

Thành miền là vùng chuyển tiếp giữa hai miền từ liền kề. Trong vùng này, hướng của các mômen từ nguyên tử thay đổi dần dần từ hướng của miền này sang hướng của miền kia. Độ dày của thành miền được xác định bởi sự cạnh tranh giữa năng lượng trao đổi (muốn thành miền mỏng) và năng lượng từ tinh thể (có thể muốn các mômen từ nằm dọc theo trục dễ từ hóa). Có hai loại thành miền chính: thành Bloch và thành Néel.

Ảnh hưởng của từ trường ngoài

Khi đặt vật liệu sắt từ trong từ trường ngoài, các miền từ có hướng từ hóa song song với từ trường sẽ phát triển bằng cách “nuốt chửng” các miền từ khác có hướng từ hóa không thuận lợi. Quá trình này được gọi là sự dịch chuyển thành miền. Khi từ trường đủ mạnh, tất cả các miền từ sẽ sắp xếp song song với từ trường, và vật liệu đạt trạng thái từ hóa bão hòa ($M_s$).

Ứng dụng của miền từ

Hiểu biết về miền từ rất quan trọng trong nhiều ứng dụng, bao gồm:

• Lưu trữ dữ liệu từ tính (Magnetic data storage): Ổ cứng, băng từ, … hoạt động dựa trên nguyên lý thay đổi hướng từ hóa của các miền từ để lưu trữ thông tin.
• Vật liệu từ mềm (Soft magnetic materials): Được sử dụng trong các lõi biến áp, cuộn cảm, … với khả năng từ hóa và khử từ dễ dàng.
• Vật liệu từ cứng (Hard magnetic materials): Được sử dụng trong nam châm vĩnh cửu.

Quan sát miền từ

Có thể quan sát miền từ bằng nhiều kỹ thuật khác nhau, ví dụ như kính hiển vi lực từ (Magnetic Force Microscopy – MFM), kỹ thuật Bitter, …

Các loại thành miền

Như đã đề cập, thành miền là vùng chuyển tiếp giữa hai miền từ. Có hai loại thành miền chính:

• Thành Bloch: Trong thành Bloch, các mômen từ quay trong mặt phẳng chứa véc-tơ từ hóa của hai miền từ liền kề. Kiểu thành miền này thường xuất hiện trong các vật liệu dày.
• Thành Néel: Trong thành Néel, các mômen từ quay trong mặt phẳng vuông góc với mặt phẳng chứa véc-tơ từ hóa của hai miền từ liền kề. Kiểu thành miền này thường xuất hiện trong các vật liệu mỏng.

Đường cong từ hóa (Hysteresis loop)

Đường cong từ hóa thể hiện mối quan hệ giữa từ độ $M$ của vật liệu và cường độ từ trường ngoài $H$. Đường cong này cho thấy hiện tượng trễ từ, tức là từ độ của vật liệu không chỉ phụ thuộc vào từ trường hiện tại mà còn phụ thuộc vào lịch sử từ hóa của nó. Các thông số quan trọng trên đường cong từ hóa bao gồm:

• Từ độ bão hòa ($M_s$): Giá trị từ độ cực đại khi vật liệu bị từ hóa hoàn toàn.
• Từ độ dư ($M_r$): Giá trị từ độ còn lại khi từ trường ngoài được đưa về 0.
• Cường độ từ trường kháng từ ($H_c$): Cường độ từ trường cần thiết để đưa từ độ về 0.

Ảnh hưởng của nhiệt độ

Nhiệt độ ảnh hưởng đáng kể đến từ tính của vật liệu. Khi nhiệt độ tăng, năng lượng nhiệt của các nguyên tử tăng lên, làm cho các mômen từ dao động mạnh hơn. Khi nhiệt độ vượt quá nhiệt độ Curie ($T_C$), vật liệu mất từ tính và chuyển sang trạng thái thuận từ.

Miền từ trong vật liệu nano

Trong vật liệu nano, kích thước của các hạt có thể nhỏ hơn kích thước của một miền từ. Trong trường hợp này, mỗi hạt có thể hoạt động như một miền từ đơn, tạo thành vật liệu từ đơn miền (single-domain magnetic materials). Vật liệu từ đơn miền có từ độ dư cao và được sử dụng trong nhiều ứng dụng, ví dụ như nam châm vĩnh cửu hiệu suất cao.

• B. D. Cullity and C. D. Graham, Introduction to Magnetic Materials, 2nd ed. (Wiley, 2009).
• S. Chikazumi, Physics of Ferromagnetism, 2nd ed. (Oxford University Press, 2009).
• J. M. D. Coey, Magnetism and Magnetic Materials (Cambridge University Press, 2010).

Câu hỏi và Giải đáp

Câu 1: Tại sao năng lượng thành miền lại đóng vai trò quan trọng trong việc xác định kích thước và hình dạng của miền từ?

Trả lời: Năng lượng thành miền là năng lượng cần thiết để tạo ra thành miền, vùng chuyển tiếp giữa hai miền từ có hướng từ hóa khác nhau. Năng lượng này tỷ lệ thuận với diện tích thành miền. Do đó, vật liệu sẽ “cố gắng” giảm thiểu diện tích thành miền để giảm năng lượng tổng thể. Tuy nhiên, việc giảm số lượng thành miền đồng nghĩa với việc tăng kích thước miền và do đó làm tăng năng lượng từ trường. Sự cạnh tranh giữa năng lượng thành miền (muốn giảm diện tích thành miền) và năng lượng từ trường (muốn giảm trường từ bên ngoài) sẽ quyết định kích thước và hình dạng cuối cùng của miền từ.

Câu 2: Sự khác biệt giữa vật liệu từ mềm và vật liệu từ cứng liên quan đến miền từ như thế nào?

Trả lời: Sự khác biệt chủ yếu nằm ở hành vi của thành miền. Trong vật liệu từ mềm, thành miền dịch chuyển dễ dàng dưới tác dụng của từ trường ngoài, dẫn đến $H_c$ nhỏ. Điều này làm cho vật liệu dễ từ hóa và khử từ. Ngược lại, trong vật liệu từ cứng, thành miền bị “kẹt” bởi các khuyết tật trong mạng tinh thể, khiến cho việc dịch chuyển thành miền trở nên khó khăn, dẫn đến $H_c$ lớn. Điều này làm cho vật liệu khó từ hóa nhưng lại giữ được từ tính lâu dài.

Câu 3: Làm thế nào để quan sát miền từ bằng kỹ thuật Bitter?

Trả lời: Kỹ thuật Bitter sử dụng một huyền phù chứa các hạt từ tính nhỏ, thường là magnetite (Fe₃O₄). Huyền phù này được nhỏ lên bề mặt vật liệu cần quan sát. Các hạt từ tính sẽ bị hút về phía thành miền, nơi có gradien từ trường lớn, tạo thành các đường tối trên bề mặt. Quan sát dưới kính hiển vi, ta có thể thấy hình dạng và phân bố của các miền từ.

Câu 4: Tại sao vật liệu nano có thể thể hiện hành vi từ đơn miền?

Trả lời: Khi kích thước của hạt vật liệu nhỏ hơn một kích thước tới hạn, năng lượng cần thiết để tạo ra thành miền sẽ lớn hơn năng lượng từ trường của một hạt đơn miền. Do đó, vật liệu sẽ tồn tại ở trạng thái đơn miền, tức là toàn bộ hạt hoạt động như một miền từ duy nhất.

Câu 5: Hiện tượng siêu thuận từ là gì và nó liên quan đến miền từ như thế nào?

Trả lời: Siêu thuận từ xảy ra ở các hạt nano từ tính khi năng lượng nhiệt đủ lớn để làm cho hướng từ hóa của toàn bộ hạt dao động ngẫu nhiên. Trong trường hợp này, mặc dù mỗi hạt vẫn là một miền từ đơn, nhưng từ hóa tổng thể của vật liệu bằng không khi không có từ trường ngoài. Hiện tượng này khác với vật liệu thuận từ ở chỗ các mômen từ trong hạt vẫn tương tác mạnh với nhau, nhưng hướng từ hóa tổng thể của hạt lại dao động do ảnh hưởng của nhiệt.