Đômen từ

hợp kim NiFe quan sát trên kính hiển vi điện tử truyền qua Lorentz ở chế độ Fresnel. Các đường đen, trắng là các vách đômen, mũi tên chỉ chiều của mômen từ trong các đômen. Trong quá trình từ hóa, cấu trúc đômen bị thay đổi]] Đômen từ (xuất phát từ thuật ngữ tiếng Anh: magnetic domain) là những vùng trong chất sắt từ mà trong đó các mômen từ hoàn toàn song song với nhau tạo nên từ độ tự phát của vật liệu sắt từ. Thuật ngữ "đômen từ" được những người dạy vật lý ở bậc phổ thông và những người không làm công tác nghiên cứu vật lý ở Việt Nam dịch là "miền từ hóa", tuy nhiên những người làm nghiên cứu vật lý (đặc biệt là những người trong lĩnh vực từ học) không chấp nhận tên gọi này mà chỉ gọi là "đômen từ".
Nguồn gốc của đômen từ
Khái niệm về đômen từ lần đầu tiên được nhà vật lý học người Pháp Pierre-Ernest Weiss đưa ra năm 1906 để giải thích các tính chất đặc biệt của các vật liệu sắt từ, và mô hình được sử dụng để lý giải là mô hình trường phân tử (Lý thuyết trường phân tử). Sau đó, hình ảnh về các đômen từ được quan sát và các lý thuyết sau đó đã lý giải chính xác sự tạo thành của đômen từ. Sự hình thành của các đômen từ là do tương tác trao đổi dẫn đến việc các mômen từ sắp xếp song song với nhau. Có nghĩa là trong mỗi đômen, các mômen từ sắp xếp theo 1 chiều nhất định tạo nên từ độ tự phát của sắt từ. Lý thuyết về đômen từ tiếp tục được hoàn thiện bởi Van Vleck (năm 1945) và Stoner (năm 1948), Néel (năm 1948)...

Tuy nhiên, không phải sự sắp xếp song song này tồn tại trên toàn vật sắt từ mà mỗi vật tùy theo kích thước, hình dạng mà có thể bị chia thành nhiều đômen khác nhau tạo nên cấu trúc đômen của vật (trong các đômen khác nhau chiều của các mômen từ sẽ khác nhau). Cấu trúc đômen hình thành chi phối tính chất từ vi mô của vật liệu. Ở trạng thái khử từ, chiều của mômen từ trong các đômen sắp xếp sao cho thỏa mãn các điều kiện: triệt tiêu từ độ và cực tiểu hóa năng lượng tổng cộng trong vật sắt từ. Khi có từ trường ngoài, cấu trúc đômen bị thay đổi (sự lớn lên của các đômen từ có chiều cùng chiều với từ trường, sự quay mômen từ trong các đômen có chiều khác...) dẫn đến sự thay đổi về tính chất từ. Sự biến đổi khác nhau về đômen từ trong quá trình từ hóa tạo nên các cơ chế từ hóa và các tính chất từ khác nhau của mỗi loại vật liệu sắt từ.

Trong các tính toán về từ học, cấu trúc đômen được xác định bằng việc cực tiểu hóa năng lượng vi từ, với năm số hạng của năng lượng vi từ:
Năng lượng trao đổi
Năng lượng dị hướng
Năng lượng tĩnh từ
Năng lượng Zeeman
Năng lượng từ giảo
Để chính xác hóa việc xác định cấu trúc đômen, các tính toán về năng vi từ còn được kết hợp với việc giải phương trình Landau-Lifshitz-Gilbert.

Vách đômen
Vách đômen (domain wall) là vùng chuyển tiếp ngăn cách giữa 2 đômen từ liền kề nhau. Giữa hai đômen từ, mômen từ không thể đột ngột biến đổi về chiều vì sẽ dẫn đến trạng thái kém bền do đó hình thành nên vùng chuyển tiếp là các vách đômen. Trong các vách đômen, mômen từ biến đổi về chiều dần dần từ chiều của đômen này tới đômen kia. Tùy theo sự định hướng mà sẽ có thể có 2 kiểu vách đômen từ chính:
Vách Bloch: Là cấu hình vách tồn tại trong các vật liệu khối hoặc màng dày, có các mômen từ trong vách phân bố trong không gian 3 chiều.
Vách Néel: Là loại vách đômen hình thành trong các màng mỏng từ (khi kích thước một chiều bị hạn chế), các mômen từ sắp xếp trong một mặt phẳng.

Các nghiên cứu về vách đômen đang là một chủ đề thu hút nhiều nghiên cứu bởi triển vọng ứng dụng trong các linh kiện spintronic điều khiển bằng vách đômen. Trong các linh kiện này, thông tin được mã hóa nhờ sự vận chuyển của các vách đômen trong các cấu trúc nano từ tính (các dây nano, các chấm nano...), có khả năng tạo ra các cổng logic, các bộ nhớ, máy phát chất lượng cao.

Kỹ thuật quan sát đômen và vách đômen
Kỹ thuật sử dụng ánh sáng khả kiến: có thể là phương pháp cổ điển nhũ tương ảnh (phương pháp Bitter) hoặc phương pháp sử dụng hiệu ứng quanh từ Kerr. Hạn chế của nhóm kỹ thuật này là độ phân giải không cao, bị giới hạn bởi hiện tượng nhiễu xạ ánh sáng nên cho độ phân giải cỡ vài trăm nanomet.
Kỹ thuật sử dụng kính hiển vi quét đầu dò: là các kỹ thuật sử dụng kính hiển vi lực từ, kính hiển vi quét chui hầm có phân tích phân cực (SP-STM)... Các kỹ thuật này cho độ phân giải tốt (tốt nhất là SP-STM), nhưng hạn chế bởi tốc độ ghi ảnh rất thấp.
Kỹ thuật sử dụng chùm điện tử: là các kỹ thuật trong các kính hiển vi điện tử có thể là kính hiển vi Lorentz, kính hiển vi điện tử quét có phân tích phân cực, toàn ảnh điện tử. Các kỹ thuật này có ưu điểm ở độ phân giải cao, tốc độ tốt, nhưng chỉ sử dụng cho mẫu mỏng.
Kỹ thuật sử dụng chùm bức xạ kết hợp: sử dụng một bức xạ kết hợp (thường là tia X) có phân cực từ kích thích mẫu phát xạ ra các photon, điện tử thứ cấp từ đó tạo ra ảnh cấu trúc từ. Ưu điểm là nhanh, độ phân giải khá tốt, nhưng hay bị nhiễu và đòi hỏi nguồn bức xạ kết hợp.
Các kỹ thuật khác...

Xem thêm
Sắt từ
Kính hiển vi điện tử truyền qua
Từ độ
Đơn đômen

Tham khảo


J N Chapman, "The investigation of magnetic domain structures in thin foils by electron microscopy", J. Phys. D: Appl. Phys. 17 (1984) 623-647.