Dynamic properties of nanoparticle magnetic systems

Abstract

This thesis is concerned with the study of the dynamic properties of magnetic nanoparticle fluids, which are an important class of physical systems where microscopic magneto-mechanical effects can be manifested. There are two processes involved with the dynamic properties of a magnetic nanoparticle: (a) the magnetic relaxation effect that is due to the rotation of the magnetic moment of the nanoparticle, which can be due to Brownian or Néel relaxation or a combination of both, and (b) the magnetic resonance effect which is due to the precession of the magnetic moment of the magnetic nanoparticles. The parameter we can quantify is the complex magnetic susceptibility, which is frequency, and magnetic field dependent and can be estimated by impedance measurements. The complex magnetic susceptibility provides information on the microscopic parameters of a magnetic nanoparticle, namely the nanoparticle radius, the magnetic radius, the anisotropy constant, the internal anisotropy field and the gyromagnetic ratio. Applications of the magnetic susceptibility data involve estimation of power losses and heat transfer, which can be quantified by use of the tanδ loss parameter and the energy density heat loss.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή ασχολείται με τη μελέτη των δυναμικών ιδιοτήτων των μαγνητικών νανοσωματιδιακών ρευστών, τα οποία αποτελούν μια σημαντική κατηγορία φυσικών συστημάτων που εκδηλώνουν μικροσκοπικής κλίμακας μαγνητομηχανικά φαινόμενα. Υπάρχουν δύο φυσικές διεργασίες που εμπλέκονται με τη δυναμική συμπεριφορά ενός μαγνητικού νανοσωματιδίου: (α) το φαινόμενο της μαγνητικής αφησύχασης που πηγάζει από τη περιστροφή της μαγνητικής ροπής του νανοσωματιδίου, και που οφείλεται είτε στη αφησύχαση κατά Brown είτε στη αφησύχαση κατά Néel, ή σε συνδυασμό και των δυο, και (β) το φαινόμενο του μαγνητικού συντονισμού που οφείλεται στη μετάπτωση της μαγνητικής ροπής των μαγνητικών νανοσωματιδίων. Η παράμετρος που μετράμε είναι η σύνθετη μαγνητική επιδεκτικότητα του μαγνητικού ρευστού, η οποία εξαρτάται από την ένταση του προσπίπτοντος μαγνητικού πεδίου και της συχνότητάς του και μπορεί να προσδιοριστεί με μέτρηση της σύνθετης αντίστασής του. Η σύνθετη μαγνητική επιδεκτικότητα εμπεριέχει στοιχεία για τις μικροσκοπικές παραμέτρους των μαγνητικών νανοσωματιδίων όπως το μέγεθος του νανοσωματιδίου καθαυτού, το μέγεθος του εσωτερικού μαγνητικού πυρήνα του νανοσωματιδίου, τη σταθερά της ανισοτροπίας του, το μέγεθος του ισοδύναμου μαγνητικού πεδίου της ανισοτροπίας και τον γυρομαγνητικό του λόγο. Στις εφαρμογές της μαγνητικής επιδεκτικότητας περιλαμβάνονται η μέτρηση των ενεργειακών απωλειών της θερμότητας, που μπορεί να προσδιοριστεί από τον συντελεστή απωλειών tanδ και την ενεργειακή πυκνότητα απώλειας της θερμότητας.