Μέχρι τη νανοκλίμακα - Υλικά

Τα νανοδομημένα υλικά έχουν μεγάλες αναλογίες επιφάνειας προς όγκο, οι οποίες μπορούν να οδηγήσουν σε ανομοιογενείς μαγνητικές ιδιότητες. Λόγω της εξασθένισης των τροχιακών μαγνητικών ροπών στα συμπαγή υλικά, δεν υπάρχει τροχιακή συνεισφορά στη συνολική μαγνητική ροπή. Ως εκ τούτου, η μαγνητική ροπή του συμπαγούς υλικού είναι γενικά μικρότερη από την αντίστοιχη στην επιφάνεια.

Πηγή εικόνας
Παραδείγματα μαγνητικών νανοδομών: μία μικρή διάσταση: α) λεπτό υμένιο και β) πολυστρωματική επιστοίβαση δύο μικρές διαστάσεις: γ) συστοιχία νανοσυρμάτων και δ) βελονιοειδή σωματίδια· τρεις μικρές διαστάσεις: ε) νανοσωματίδια, στ) νανοσυνθέτα, ζ) μαγνητικό μέσο αποθήκευσης πληροφορίας και η) νανοσυστολή.

Το ευρύ φάσμα χημικών συνθέσεων καθώς και η μεγάλη ποικιλία νανοδομών απαιτεί ποικίλες τεχνικές επεξεργασίας, κάθε τεχνική περιορίζεται σε μια σχετικά στενή κατηγορία μαγνητικών υλικών. Για παράδειγμα, οι νανοδομημένες μαγνητικές σκόνες παράγονται με άλεση σε σφαιρόμυνο, οι ανισοτροπικές/ισοτροπικές μαγνητικές ταινίες παρασκευάζονται με περιστροφή τήγματος (melt spinning), τα νανοδομημένα λεπτά υμένια τόσο σκληρών όσο και μαλακών μαγνητικών υλικών παράγονται με ιοντοβολή, επιταξία μοριακής δέσμης και ηλεκτροαπόθεση.

Πηγή κειμένου: Handbook of Nanomaterials, R. Vajtai, Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2013.

Η μελέτη μαγνητικών λεπτών υμενίων μας βοηθάει στην κατανόηση των μαγνητικών ιδιοτήτων των νανοδομημένων υλικών σε συστήματα δύο διαστάσεων. Το μαγνητικό χαρακτηριστικό μήκος εξαρτάται από την κλίμακα καθώς και από την ηλεκτρονική δομή επιφάνειας/διεπαφής, λόγω της οποίας παρατηρούνται ενδιαφέροντα φαινόμενα. Παραδείγματα είναι η ενίσχυση της μαγνητικής ροπής, η επιφανειακή ανισοτροπία, η διαμόρφωση της θερμοκρασίας Curie και ο σχηματισμός τοιχωμάτων περιοχών ανάλογα με τις διαστάσεις.
Τα λεπτά ή τα πολυστρωματικά μαγνητικά υμένια έχουν μόνο μία διάσταση στην περιοχή νανοκλίμακας. Τα μαγνητικά και μη μαγνητικά στρώματα στοιβάζονται για να σχηματίσουν λεπτά υμένια ετεροδομών, που βρίσκουν εφαρμογές στις βαλβίδες του σπιν, συζεύξεις σήραγγας, GMR, κ.λπ. Τα μαγνητικά λεπτά υμένια παρουσιάζουν ενδιαφέροντα μαγνητικά φαινόμενα όπως κάθετη ανισοτροπία, διαμόρφωση της μαγνητικής ροπής σ σε επιφάνειες και διεπαφές και κίνηση τοιχωμάτων περιοχών εξαρτώμενη από το πάχος.
Τα μαγνητικά λεπτά υμένια παρουσιάζουν σημαντικό ενδιαφέρον. Η ιοντοβολή, η επιταξία μοριακής δέσμης και η ηλεκτροαπόθεση είναι μερικές από τις τεχνικές που χρησιμοποιούνται για την ανάπτυξη μαγνητικών νανοδομημένων λεπτών υμενίων.

Τα μαγνητικά πολυστρωματικά σχηματίζονται από εναλλασσόμενα στρώματα μαγνητικού και μη μαγνητικού μετάλλου. Όταν τα στρώματα είναι όλα επιταξιακά, το πολυστρωματικό υμένιο είναι μια υπερδομή. Ετεροδομές μπορούν επίσης να κατασκευαστούν από μαγνητικά στρώματα σε άμεση επαφή μεταξύ τους, όπου θα υπάρξει άμεση σύζευξη ανταλλαγής στη διεπαφή.
Η έμμεση σύζευξη ανταλλαγής σε πολυστρωματικά υμένια μεταδίδεται από την πόλωση του σπιν στα μη μαγνητικά στρώματα, υπό την προϋπόθεση ότι είναι αρκετά λεπτά. Οι διπολικές αλληλεπιδράσεις παίζουν επίσης ρόλο στη σύζευξη σιδηρομαγνητικών λεπτών υμενίων. Για την ανάπτυξη κραμάτων και πολυστρωματικών υμενίων, απαιτούνται πολλαπλές πηγές υλικών με ανεξάρτητα συστήματα τροφοδοσίας. Η απόσταση πηγής-υποστρώματος είναι συνήθως τουλάχιστον 300 mm.
Παρουσιάζει ιδιαίτερο ενδιαφέρον η διεπαφή διαφορετικών υλικών στη νανοκλίμακα που εμφανίζουν κάποια συνάφεια μεταξύ τους. Ο προσεκτικός έλεγχος της τροχιακής δομής σε διεπαφές μεταξύ δύο υλικών μπορεί να δημιουργήσει νέα φυσικά φαινόμενα και λειτουργίες, που δεν αποτελούν ιδιότητα των ίδιων των συστατικών υλικών. Παραδείγματα είναι τα διστρωματικά υλικά Mott και τα μονωτικά υλικά ζώνης που λειτουργούν ως μεταλλική διεπαφή. Άλλες δυνατότητες είναι ο συνδυασμός υλικών κολοσσιαίας μαγνητοαντίστασης CMR και υπεραγωγών υψηλών θερμοκρασιών.

Πηγή κειμένου: Handbook of Nanomaterials, R. Vajtai, Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2013
Πηγή κειμένου: Magnetism and Magnetic Materials, J. M. D   Coey, Cambridge University Press, 2010. 
Πηγή κειμένου: Handbook of Magnetism and Advanced Magnetic Materials, H. KronmÜller and S. Parkin, Volume 1: Fundamentals and Theory, John Wiley & Sons, 2007.

Μαγνητικά υμένια πάχους που κυμαίνεται από ένα μόνο επίπεδο ατόμων ως πάνω από 100 nm μπορούν να αναπτυχθούν σε κρυσταλλικά ή άμορφα υποστρώματα με διάφορες φυσικές ή χημικές μεθόδους. Ένα επιταξιακό ατομικό κρυσταλλικό επίπεδο είναι αυτό που αναπτύσσεται με τέλεια ατομική διευθέτηση σε υπόστρωμα μονοκρυστάλλου. Ένα προσανατολισμένο υμένιο έχει έναν συγκεκριμένο κρυσταλλικό άξονα προσανατολισμένο κάθετα προς το υπόστρωμα. Η περιοχή του υμενίου κοντά στη διεπαφή μπορεί να είναι ιδιαίτερα τεταμένη αν υπάρχει διαφορά στις πλεγματικές σταθερές μεταξύ υμενίου και υποστρώματος. Η συμπιεστική ή επεκτατική διαξονική τάση συνοδεύεται από μια τάση αντίθετου πρόσημου προς την κατεύθυνση που είναι κάθετη στο υπόστρωμα. Η πλεονάζουσα τάση  εξομαλύνεται σε παχύτερα υμένια με ατέλειες ατομικής κλίμακας, καθώς το υμένιο τελικά υιοθετεί τις πλεγματικές σταθερές ισορροπίας μακριά από το υπόστρωμα. Όταν η πλεγματική ασυμφωνία είναι αρκετά μεγάλη (>4%), ή αν το υπόστρωμα είναι άμορφο (π.χ. γυαλί) έχει μικρότερη δυνατότητα να υπαγορεύει τη δομή του υμενίου που αναπτύσσεται σε αυτό. Τα υποστρώματα μπορούν να επιλεγούν για να επηρεάσουν την κρυσταλλογραφική ή μαγνητική υφή του υμενίου απευθείας, διαφορετικά ένα λεπτό στρώμα υμενίου μπορεί να εναποτίθεται αρχικά για να λειτουργήσει ως εξομαλυντής.

Σημαντικές μεταβολές της μαγνήτισης παρατηρούνται σε υμένια πάχους μερικών ατομικών επιπέδων. Το βανάδιο και το ρόδιο γίνονται σιδηρομαγνητικά σε μορφή υμενίων πάχους 1-2 ατομικών επιπέδων, παρόλο που δεν είναι μαγνητικά σε συμπαγή μορφή. Μέταλλα όπως το παλλάδιο που έχουν ενισχυμένη παραμαγνητική επιδεκτικότητα, γίνονται σιδηρομαγνητικά όταν εναποτίθενται σε υπόστρωμα σιδήρου ή νικελίου. Το παράδειγμα του νικελίου στο χαλκό απεικονίζεται σε σχήμα.

Οι μαγνητικές ιδιότητες του σιδήρου επηρεάζονται σημαντικά από τη δομή. Ενώ η δομή bcc είναι σιδηρομαγνητική, ο fcc σίδηρος μπορεί να είναι μη μαγνητικός, αντισιδηρομαγνητικός ή σιδηρομαγνητικός, ανάλογα με την πλεγματική σταθερά. Όταν αναπτύσσονται επιταξιακά σε fcc χαλκό, οι μαγνητικές ιδιότητες ενός υμενίου σιδήρου εξαρτώνται από τη θερμοκρασία του υποστρώματος κατά την εναπόθεση. Η θερμοκρασία περιβάλλοντος δίνει σιδηρομαγνητικά υμένια fcc σιδήρου, αλλά όταν το υπόστρωμα ψύχεται, είναι αντισιδηρομαγνητικά.

Πηγή κειμένου: Magnetism and Magnetic Materials, J. M. D   Coey, Cambridge University Press, 2010.

Τα μαγνητικά νανοσύρματα μπορούν να προκύψουν διαμορφώνοντας λεπτά υμένια με λιθογραφικές τεχνικές. Ένας άλλος τρόπος κατασκευής είναι με ηλεκτροαπόθεση σε πορώδη μήτρα, όπως μια μεμβράνη οξειδίου του αλουμινίου. Σε ορισμένες περιπτώσεις, όπως το Co-Cu, ένα μόνο ηλεκτροχημικό λουτρό μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την παραγωγή τμηματικών νανοσυρμάτων με εναλλαγή μεταξύ δύο διαφορετικών δυναμικών.

Η μαγνήτιση των σιδηρομαγνητικών νανοσυρμάτων και των νανοσωματιδίων με σχήμα βελόνας βρίσκεται συνήθως κατά μήκος του μεγάλου τους άξονα. Δεν υπάρχει προδιάθεση σχηματισμού μαγνητικών περιοχών γιατί η ενέργεια απομαγνήτισης είναι ήδη μηδενική στην περίπτωση μίας μαγνητικής περιοχής, όπου ο παράγοντας απομαγνήτισης είναι N = 0. Είναι δυνατόν, ωστόσο, να πυρηνοποιηθεί μια ανάστροφη μαγνητική περιοχή στο ένα άκρο του σύρματος και, στη συνέχεια, να μετρηθεί η ταχύτητα του τοιχώματος μαγνητικών περιοχών ως συνάρτηση του εφαρμοσμένου πεδίου χρονομετρώντας τη διάδοση της αναστροφής κατά μήκος του σύρματος. Η χρονική μεταβολή της μαγνήτισης ανιχνεύεται με πηνία συλλογής, με το μαγνητο-οπτικό φαινόμενο Kerr ή με το ανώμαλο φαινόμενο Hall, σε σύρματα με κάθετη μαγνήτιση. Οι ταχύτητες των τοιχωμάτων περιοχών μπορεί να είναι υψηλές, ≈100 m s⁻¹, σε νανοσύρματα λεπτών υμενίων.

Τα μαγνητικά νανοσύρματα, έχουν το πλεονέκτημα ότι οι πληροφορίες μπορούν να καταγραφούν κατά μήκος της ετικέτας εάν κατακερματιστούν και τα τμήματα μαγνητιστούν μόνιμα σε αντίθετες κατευθύνσεις. Τέτοιοι μαγνητικοί γραμμωτοί κώδικες μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την σήμανση κυττάρων ή πρωτεϊνών και μπορούν να ανιχνευθούν μέσω των χαρακτηριστικών μοτίβων του πεδίου που παράγουν, χρησιμοποιώντας αισθητήρες μαγνητοαντίστασης π.χ. σε κανάλι μικροροής.

Σε μια δομή νανοσύρματος, οι δύο διαστάσεις είναι στη νανοκλίμακα και παρουσιάζουν ενδιαφέρουσες μαγνητικές ιδιότητες λόγω της ανισοτροπίας σχήματος, των μαγνητοστατικών αλληλεπιδράσεων, της εντοπιότητας του μαγνητικού τρόπου, των κυμάτων σπιν και της αντιστροφής μαγνητισμού που προκαλείται από το ρεύμα. Τα μαγνητικά νανοσύρματα μπορούν να ληφθούν με εναπόθεση σε μια επιφάνεια αξιοποιώντας την επιφανειακή ανισοτροπία ή με ηλεκτροαπόθεση μαγνητικών υλικών σε πορώδεις μήτρες.

Πηγή κειμένου: Handbook of Nanomaterials, Robert Vajtai, Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2013.

Πηγή κειμένου: Magnetism and Magnetic Materials, J. M. D   Coey, Cambridge University Press, 2010.

Στον σχεδιασμό νανοδακτυλίων, η μονάδα πληροφορίας μπορεί να κωδικοποιηθεί με την κατεύθυνση της κατάστασης μαγνήτισης στροβιλισμού στο σιδηρομαγνητικό δακτύλιο από λεπτό υμένιο. Ωστόσο, ακόμη και αυτός ο μηχανισμός έχει τις δυσκολίες του δεδομένου ότι απαιτεί τη δημιουργία μαγνητικών πόλων στα όρια του δακτυλίου, με τον οποίο χρειάζονται περίπλοκα συστήματα εγγραφής, ή ακόμη και πυκνότητες πολύ υψηλού ρεύματος ικανές να αλλάξουν την κατάσταση μαγνήτισης. Αυτό που κάνει τον σχεδιασμό και την αρχή λειτουργίας της συσκευής που φαίνεται στο σχήμα πιο πιθανό να λειτουργήσει είναι ότι χρησιμοποιεί την πολικότητα των αυστηρά εντοπισμένων τοιχωμάτων περιοχών 360^o στο ελεύθερο σιδηρομαγνητικό στρώμα για να κωδικοποιήσει τη μονάδα πληροφορίας. Η ύπαρξη αυτών των τύπων τοιχωμάτων περιοχών έχει ήδη προβλεφθεί από προσομοιώσεις. Παρουσία ενός τοιχώματος περιοχών 360^o, η μαγνήτιση μοιάζει με κατάσταση δίνης στο μεγαλύτερο μέρος του δακτυλίου, εκτός από τη συγκεκριμένη περιοχή όπου εντοπίζεται ο δακτύλιος. Ωστόσο, δεν είναι αρκετά μια τυπική δίνη, καθώς στο εσωτερικό του τοιχώματος μαγνητικών περιοχών η μαγνήτιση περιστρέφεται στο επίπεδο, προς την αντίθετη κατεύθυνση από την κατεύθυνση περιστροφής στον υπόλοιπο δακτύλιο. Ως εκ τούτου, και οι δύο καταστάσεις που αντιπροσωπεύουν τοιχώματα περιοχών ±360^o μπορούν να επιτευχθούν με μια απλή περιστροφή του διανύσματος μαγνήτισης στο επίπεδο, αποφεύγοντας αποκλίσεις εκτός επίπεδου. Ως εκ τούτου, το ρεύμα που διαρρέει το σύρμα που διέρχεται από τη διάταξη του δακτυλίου παράγει ένα κυκλικό μαγνητικό πεδίο που εναλλάσσεται εύκολα μεταξύ των δύο πολώσεων του τοιχώματος 360^o. Ταυτόχρονα, η ανάγνωση της πληροφορίας μπορεί να συμβεί επειδή οι νανοδακτύλιοι αποτελούν μέρος μιας διάταξης σύζευξης μαγνητικής σήραγγας.

Πηγή κειμένου: Magnetism: Basics and Applications, Stefanita, Carmen-Gabriela, Springer Heidelberg Dordrecht London New York, 2012.

Η μορφολογία των hcp νανοκουκίδων γίνεται εύκολα κατανοητή: οι νανοκουκίδες hcp είναι οι ίδιες  παραμορφωμένες εξαγωνικές διπυραμίδες που εμφανίζονται στην εικόνα, των οποίων ο άξονας συμπίπτει με τον άξονα c του πλέγματος hcp. Αυτές οι διπυραμίδες διακόπτονται και εμφανίζουν έδρες (0001), (1011) και μικρές (1120). Μια μεγαλύτερη έδρα (1120) βρίσκεται σε επαφή με το υπόστρωμα, όπου τα άτομα Ni ακολουθούν μια τυπική διαμόρφωση σε διαγράμμιση ζιγκ-ζαγκ. Οι δυνάμεις που οδηγούν στη σταθεροποίηση των νανοδών hcp μπορούν να επεκταθούν και σε άλλα ζεύγη μετάλλων/οξειδίου: Pd/CaO, Pt/CaO, Ni/CoO και Co/MgO. Πρέπει να σημειωθεί ότι οι Ni, Pd και Pt είναι fcc πλέγματα και όχι hcp ως συμπαγή υλικά, έτσι η μετάβαση σε διαμορφώσεις fcc αναμένεται να συμβεί όσο αυξάνει το μέγεθος των σωματιδίων. Στην πραγματικότητα, πειράματα σε σωματίδια Ni στο MgO (100) παρατηρούν τη μορφολογία hcp σε μικρά μεγέθη και εντοπίζουν τη μετάβαση στις συνήθεις δομές fcc (001) σε διαμέτρους μεγαλύτερες από περίπου 5 nm. Σε θεωρητικό επίπεδο, η σύγκριση μοτίβων hcp και fcc (001) ως συνάρτηση του μεγέθους εντοπίζει αυτή τη μετάβαση μεταξύ 2000 και 2500 ατόμων, που αντιστοιχούν σε διαμέτρους συστάδων περίπου 4.5 nm, σε άριστη συμφωνία με πειραματικά δεδομένα.

Επιπλέον, οι νανοκουκίδες προσφέρουν πρόσθετες βελτιώσεις στην απόδοση συσκευών λόγω του αυστηρού περιορισμού των ηλεκτρονίων τους. Πιστεύεται ότι αν η θέση κάθε ηλεκτρονίου καθοριστεί περιορίζοντας το σε μια περιορισμένη περιοχή όπως μια "κουκκίδα", η κατανομή ενέργειας σε αυτή την περιοχή δεν θα αντιμετωπίσει μεγάλες διακυμάνσεις θερμοκρασίας. Κάθε περιοχή θα μπορούσε να είναι μια νανο- ή μια κβαντική κουκκίδα που εμποδίζει αποτελεσματικά τα ηλεκτρόνια από το να διεγερθούν θερμικά σε υψηλότερες ενεργειακές καταστάσεις.

Πηγή κειμένου: Handbook of Nanomaterials, R. Vajtai, Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2013.

Πηγή κειμένου: Magnetism: Basics and Applications, Stefanita, Carmen-Gabriela, Springer Heidelberg Dordrecht London New York, 2012.

Ένα σιδηρορευστό μοιάζει με ένα σιδηρομαγνητικό υγρό, αλλά είναι στην πραγματικότητα ένα κολλοειδές εναιώρημα μικροσκοπικών υπερπαραμαγνητικών σωματιδίων σε έλαιο ή νερό. Οι χημικές τεχνικές διασποράς νανοσωματίδιων μαγνητίτη ή μαγκεμίτη διαμέτρου 3-15 nm, αναπτύχθηκαν στη δεκαετία του 1960 κατά τέτοιο τρόπο ώστε να μην σχηματίζονται συσσωματώματα σε μορφή αλυσίδων υπό την επίδραση αλληλεπιδράσεων διπόλου-διπόλου, όταν υπόκεινται σε εξωτερικό μαγνητικό πεδίο. Για να σταθεροποιηθεί το κολλοειδές, είναι απαραίτητο να αποδυναμωθούν οι διπολικές αλληλεπιδράσεις, οι οποίες ελαττώνονται με το r ⁻³. Για να διατηρηθούν τα σωματίδια σε απόσταση μπορούν να επικαλυφθούν με ή να ενσωματωθούν σε πολυμερές. Μια στρώση από επιφανειακά μόρια στην επιφάνεια των σωματιδίων οξειδίων τα καθιστά διαλυτά στο νερό. Διαφορετικά τα φορτισμένα νανοσωματίδια μπορούν να διασκορπιστούν σε ένα ιοντικό υγρό.

Τα μαγνητικά νανοσωματίδια αποτελούν ένα κλάσμα του συνολικού όγκου του σιδηρορευστού, το οποίο είναι το πολύ 20%. Η μαγνήτιση του μαγνητίτη είναι 480 kAm⁻¹, οπότε η μαγνήτιση κόρου ενός εμπορικού σιδηρορευστού με βάση μαγνητίτη δεν υπερβαίνει τα 100 kAm⁻¹.  Μια τυπική τιμή είναι 50 kAm⁻¹.  Λόγω της ενέργειας, του μεγέθους και του διαχωρισμού τους, τα σωματίδια συμπεριφέρονται σαν ασθενώς αλληλεπιδρώντα παραμαγνητικά μακροσπιν (macrospin), το καθένα με μαγνητική ροπή μ ∼ 10³-10⁵μ_B.

Πηγή κειμένου: Magnetism and Magnetic Materials, J. M. D   Coey, Cambridge University Press, 2010.

Έχουν χρησιμοποιηθεί πολυάριθμες φυσικές και χημικές μέθοδοι για την παραγωγή μαγνητικών νανοσωματιδίων. Αυτά περιλαμβάνουν την ιοντοβολή, εξάτμιση μετάλλων, άλεση σε σφαιρόμυλο, ηλεκτροαπόθεση και υγρή χημική σύνθεση, μεταξύ των οποίων η τελευταία αποτελεί την πιο επιτυχή προσέγγιση για την προετοιμασία μονοδιάσπαρτων μαγνητικών νανοσωματιδίων. Είναι γνωστό ότι η σύνθεση υγρής χημείας επιτυγχάνει ομοιογενή ανάπτυξη πυρήνων και διευκολύνει την ελεγχόμενη ανάπτυξη των πυρήνων που βρίσκονται στο διάλυμα. Ως αποτέλεσμα, έχουν προετοιμαστεί μονοδιάσπαρτα μαγνητικά νανοσωματίδια με διάφορα μεγέθη και σχήματα. Επιπλέον, τα μαγνητικά νανοσωματίδια που παρασκευάζονται σε μορφή διαλύματος μπορούν εύκολα να σταθεροποιηθούν ώστε να αποφεύγονται φαινόμενα συσσωμάτωσης ή οξείδωσης με ένα συμπαγές στρώμα οργανικής ή ανόργανης επικάλυψης. Η σταθεροποίηση της διασποράς νανοσωματιδίων μπορεί να εναποτίθεται σε ένα στερεό υπόστρωμα και ο διαλύτης εξατμίζεται. Ελέγχοντας τη συγκέντρωση της διασποράς των σωματιδίων και του ρυθμού εξάτμισης του διαλύτη, μπορούν να σχηματιστούν 2D ή 3D αυτοοργανωμένα μαγνητικά νανοσωματίδια.

Τρεις μικρές διαστάσεις ορίζουν ένα νανοσωματίδιο. Και πάλι τα μαγνητικά σωματίδια μπορεί να είναι διακριτά και διασκορπισμένα ή ενσωματωμένα σε ένα μέσο για να σχηματίσουν κάποια σύνθετη δομή. Τα υλικά της ετεροδομής σε συμπαγή μορφή μπορεί να είναι και τα δύο μαγνητικά, ή το ένα μαγνητικό και το άλλο όχι. Με την κατάλληλη διαμόρφωση της νανοσύνθετης δομής, μπορούν να επιτευχθούν μοναδικοί συνδυασμοί μαγνητικών ιδιοτήτων ή μαγνητικών και μη μαγνητικών ιδιοτήτων που δεν παρατηρούνται σε οποιοδήποτε ομογενές συμπαγές υλικό. Τα μαγνητικά νανοσωματίδια μπορούν να δομηθούν σε γραμμές ή επίπεδα. Τέτοια παραδείγματα είναι τα λεπτά ή πολυστρωματικά υμένια και τα κοκκώδη μαγνητικά μέσα καταγραφής όπως τα υμένια Co−Pt−Cr.

Τα νανοσωματίδια, τα οποία δεν είναι αρκετά μικρά για να διεγερθούν θερμικά πάνω από το ενεργειακό φράγμα, μπορούν ωστόσο να παρουσιάσουν αυθόρμητες συνεκτικές διακυμάνσεις της μαγνητικής τους ροπής γύρω από το ενεργειακό ελάχιστο. Αυτές οι διεγέρσεις παίρνουν τη θέση των κυμάτων σπιν μεγάλου μήκους κύματος, τα οποία δεν μπορούν να διεγερθούνεπειδή το μέγεθος των σωματιδίων καθορίζει το μέγιστο δυνατό μήκος κύματος.

Στην αντισιδηρομαγνητική κατάσταση, οι μαγνητικές ροπές των μεμονωμένων ατόμων του υλικού έχουν αντιπαράλληλη διάταξη για ένα δισδιάστατο σύστημα. Στην αντισιδηρομαγνητική κατάσταση, το υλικό δεν εμφανίζει συνολική μαγνητική ροπή και η επιδεκτικότητα είναι μηδενική. Τα αντισιδηρομαγνητικά νανοσωματίδια παρουσιάζουν ασυνήθιστη συμπεριφορά σε σύγκριση με τα σιδηρομαγνητικά νανοσωματίδια. Το 1961, ο Néel πρότεινε ότι τα αντισιδηρομαγνητικά νανοσωματίδια θα μπορούσαν να εμφανίσουν ασθενικό σιδηρομαγνητισμό και υπερπαραμαγνητισμό.

Καθώς μειώνεται το μέγεθος των σωματιδίων, το ποσοστό των ατόμων στην επιφάνεια του σωματιδίου αυξάνεται. Ο Néel πρότεινε ότι για τα αντισιδηρομαγνητικά νανοσωματίδια, η αντιπαράλληλη διάταξη των μαγνητικών ροπών στην επιφάνεια θα χανόταν και ότι οι ροπές των επιφανειακών ατόμων θα ευθυγραμμίζονταν στην πραγματικότητα σιδηρομαγνητικά παράλληλα με τον άξονα της αντισιδηρομαγνητικής διάταξης στο εσωτερικό του σωματιδίου. Αυτό σημαίνει ότι ένα αντισιδηρομαγνητικό νανοσωματίδιο μπορεί να θεωρηθεί ότι έχει έναν εσωτερικό αντισιδηρομαγνητικό πυρήνα που περιβάλλεται από ένα εξωτερικό κέλυφος σιδηρομαγνητικά διατεταγμένων μαγνητικών ροπών. Πειραματικές μετρήσεις στο οξείδιο του νικελίου (NiO) επιβεβαιώνουν αυτό το μοντέλο. Το συμπαγές NiO έχει δομή ρομβοεδρική κρυσταλλική δομή και γίνεται αντισιδηρομαγνητικό κάτω από 523 K. Πάνω από αυτή τη θερμοκρασία, είναι παραμαγνητικό και η κρυσταλλική δομή είναι κυβική. Το σχήμα  δείχνει μια μέτρηση της ZFC dc επιδεκτικότητας των νανοσωματιδίων NiO ως συνάρτηση της θερμοκρασίας για σωματίδια δύο διαφορετικών μεγεθών, τα οποία ήταν, μετρημένα σε πεδίο 100 G. Η παρουσία μη μηδενικής επιδεκτικότητας σημαίνει ότι τα αντισιδηρομαγνητικά σωματίδια εμφανίζουν σιδηρομαγνητική συμπεριφορά.

Για σωματίδια άνω των 100 nm, η επιδεκτικότητα είναι μηδενική. Για τα μικρότερα σωματίδια, το σχήμα δείχνει ότι η επιδεκτικότητα αυξάνεται με την αύξηση της θερμοκρασίας μέχρι ένα μέγιστο και στη συνέχεια μειώνεται. Το μαγνητικό πεδίο dc στο οποίο εμφανίζεται το μέγιστο μετατοπίζεται σε υψηλότερη θερμοκρασία καθώς το μέγεθος των σωματιδίων μικραίνει και το μέτρο της επιδεκτικότητας αυξάνεται όσο μειώνεται το μέγεθος σωματιδίων.

Πηγή κειμένου:  Handbook of Magnetism and Advanced Magnetic Materials,  H. Kronmuller and S. Parkin. Volume 1: Fundamentals and Theory, John Wiley & Sons, 2007.

Πηγή κειμένου: Physics of Magnetic Nanostructures, First Edition. Frank J. Owens, Inc. Published by John Wiley & Sons, Inc., 2015.

Μια άλλη κατηγορία μαγνητικών νανοδομών είναι οι μοριακοί νανομαγνήτες, που μερικές φορές χαρακτηρίζονται μαγνήτες ενός μορίου. Οι μαγνητικές μοριακές συστάδες είναι ενδιάμεσες μεταξύ κλασικών και κβαντικών μαγνητών και παρουσιάζουν ασυνήθιστες ιδιότητες. Οι μοριακοί νανομαγνήτες είναι κυρίως οργανικά μόρια που συνδέονται με μέταλλα με μη συζευγμένα ηλεκτρόνια. Οι μοριακοί νανομαγνήτες είναι πιθανοί υποψήφιοι για παρατηρήσεις κβαντικών φαινομένων λόγω της σαφώς καθορισμένης δομής τους και της καλά χαρακτηρισμένης κατάστασης μαγνητικής ροπής. Το θερμικώς ενεργοποιημένο κβαντικό φαινόμενο σήραγγας της μαγνήτισης παρατηρήθηκε για πρώτη φορά σε μοριακούς νανομαγνήτες.

Πηγή κειμένου: Handbook of Nanomaterials, R. Vajtai, Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2013.

Η μαγνητική νανοδομή «μηδενικής διάστασης» είναι μια κουκκίδα τόσο μικρή που περιέχει μόνο μερικά ηλεκτρόνια, ή ακόμη και ένα μόνο ηλεκτρόνιο. Η χωρητικότητα μιας σφαίρας ακτίνας r είναι C = 4πε₀r. Το δυναμικό ενός μόνο ηλεκτρονίου στη σφαίρα είναι V = e/C. Για παράδειγμα, εάν r = 14. 4 nm, V = 100 mV. Το δυναμικό αυτό είναι γνωστός ως φραγμός Coulomb για την προσθήκη φορτίων στον πυκνωτή-νανοκουκίδα. Η περιεκτικότητα σε ηλεκτρόνια της κβαντικής κουκίδας μπορεί να ελεγχθεί μέσω του φαινομένου σήραγγας, ένα κάθε φορά, ρυθμίζοντας την τάση των παρακείμενων ηλεκτροδίων, τα οποία μπορεί να είναι σιδηρομαγνητικά.

Η κβαντική κουκκίδα είναι πραγματικά ένα τεχνητό άτομο, με ένα τετράγωνο-πηγάδι δυναμικό και όχι ένα δυναμικό Coulomb. Σε χαμηλή θερμοκρασία η απλήρωτη στιγμή περιστροφής της κουκκίδας μπορεί να σχηματίσει μια κατάσταση Kondo singlet με ηλεκτρόνια σε μημαγνητικά ηλεκτρόδια. Η περιστροφή-πολωμένη ροή ηλεκτρονίων πέρα από το μπορεί να ρυθμιστεί με τη ρύθμιση του δυναμικού μιας πύλης. Αυτό είναι ένα μαγνητικό τρανζίστορ ενός ηλεκτρονίων. Τα ζεύγη αυτών των μαγνητικών κβαντικών κουκίδων είναι υποψήφια q-bits για έναν κβαντικό υπολογιστή.

Πηγή κειμένου: Magnetism and Magnetic Materials, J. M. D   Coey, Cambridge University Press, 2010.