Магнитооптический отклик дисперсий магнитотвердых нанопластин в переменном поле

В настоящей работе представлен анализ магнитооптического отклика переменного поля для концентрированных дисперсий магнитотвердых нанопластин. Динамика наночастиц гексаферрита с размерами 50×5 нм в магнитных жидкостях с концентрацией 0,3–30 г/л отслеживалась по амплитуде и фазовому сдвигу магнитооптического отклика в диапазоне частот 1 Гц - 10 кГц и магнитных полях амплитудой до 50 Э. Магнитооптический сигнал использовался для реконструкции зависимости мгновенной намагниченности от приложенного поля в зависимости от концентрации нанопластинок. Были выявлены два режима переориентации наночастиц в зависимости от частоты и амплитуды приложенного переменного поля. Высокочастотный режим характеризуется фазовым сдвигом процесса намагничивания, который увеличивается с частотой возбуждающего поля и соответствует неполной ориентации пластинок в результате последнего. Напротив, в низкочастотном режиме сдвиг фазы увеличивается обратно пропорционально частоте возбуждающего поля, что позволяет выявить наличие «коэрцитивной силы переменного поля». Последний эффект связан со стабилизацией ориентации пластинок магнитными моментами составляющих феррожидкость наночастиц.

1. Lisjak D., Mertelj A. Anisotropic magnetic nanoparticles: A review of their properties, syntheses and potential applications. Prog. Mater. Sci., 2018, 95, P. 286–328.

2. Scherer C., Figueiredo Neto A.M. Ferrofluids: Properties and applications. Brazilian J. Phys., 2005, 35(3 A).

3. Philip J. Magnetic nanofluids (Ferrofluids): Recent advances, applications, challenges, and future directions. Adv. Colloid Interface Sci., 2023, 311, P. 102810.

4. Morillas J.R., De Vicente J. Magnetorheology: a review. Soft Matter, 2020, 16(42), P. 9614–9642.

5. Li Y., Han P., Li D., Chen S., Wang Y. Typical dampers and energy harvesters based on characteristics of ferrofluids. Friction, 2023, 11(2), P. 165–186.

6. Huke B., Lu¨cke M. Magnetization of ferrofluids with dipolar interactions: A Born-Mayer expansion. Phys. Rev. E – Stat. Physics, Plasmas, Fluids, Relat. Interdiscip. Top., 2000, 62(5), P. 6875–6890.

7. Brown W.F. Thermal fluctuations of a single-domain particle. Phys. Rev., 1963, 130(5), P. 1677–1686.

8. Ne´el L. The´orie du traˆınage magne´tique des ferromagne´tiques en grains fins avec application aux terres cuites. Ann. Ge´ophysique, 1949, 5, P. 136.

9. Klein T., Laptev A., Gu¨nther A., Bender P., Tscho¨pe A., Birringer R. Magnetic-field-dependent optical transmission of nickel nanorod colloidal dispersions. J. Appl. Phys., 2009, 106(11), P. 114301.

10. Eliseev A.A., Eliseev A.A., Trusov L.A., Chumakov A.P., Boesecke P., Anokhin E.O., Vasiliev A.V., Sleptsova A.E., Gorbachev E.A., Korolev V.V., Kazin P.E. Rotational dynamics of colloidal hexaferrite nanoplates. Appl. Phys. Lett., 2018, 113(11), P. 113106.

11. Feng Z.-G., Feng Y., Andersson M. Shape Effects on the Drag Force and Motion of Nano and Micro Particles in Low Reynolds Number Flows; Proceedings of ASME 2012 International Mechanical Engineering Congress & Exposition IMECE2012. Houston, Texas, USA, November 9–15, American Society of Mechanical Engineers, 2012, P. 999–1004.

12. Szczytko J., Vaupoticˇ, Osipov M.A., Madrak K., Go´recka E. Effect of dimerization on the field-induced birefringence in ferrofluids. Phys. Rev. E, 2013, 87(6), P. 062322.

13. Raikher Y.L., Scholten P.C. Magnetic colloid in an AC magnetic field; Constant birefringence effect. J. Magn. Magn. Mater., 1988, 74(3), P. 275– 280.

14. Trusov L.A., Vasiliev A. V., Lukatskaya M.R., Zaytsev D.D., Jansen M., Kazin P.E. Stable colloidal solutions of strontium hexaferrite hard magnetic nanoparticles. Chem. Commun., United Kingdom, United Kingdom, 2014, 50(93), P. 14581–14584.

15. Kazin P.E., Sleptsova A.E., Vasiliev A.V., Eliseev A.A., Dinnebier R.E., Bette S. Single-domain particles of manganese-for-iron substituted M-type barium hexaferrite: synthesis, crystal structure, and magnetic properties. Nanosyst. Physics, Chem. Math., 2024, 15(1), P. 80–97.

16. Pullar R.C. Hexagonal ferrites: A review of the synthesis, properties and applications of hexaferrite ceramics. Prog. Mater. Sci., 2012, 57(7), P. 1191–1334.

17. Bohren C.F., Huffman D.R. Absorption and Scattering of Light by Small Particles; Wiley, 1998.

18. Eliseev A.A., Korolev V.V., Anokhin E.O., Chumakov A.P., Vasiliev A.V., Trusov L.A., Kazin P.E., Eliseev A.A. Fast micrometer resolution magneto-optical viscosity measurements with hard magnetic nanoplatelets. Sensors Int., 2025, P. 100337.

19. Romodina M.N., Lyubin E.V., Fedyanin A.A. Detection of Brownian Torque in a Magnetically-Driven Rotating Microsystem. Sci. Rep., 2016, 6(1), P. 21212.

20. Honecker D., Bender P., Falke Y., Dresen D., Kundt M., Schmidt A.M., Tscho¨pe A., Sztucki M., Burghammer M., Disch S. Controlling the rotation modes of hematite nanospindles using dynamic magnetic fields. Nanoscale Adv., 2022, 4(21), P. 4535–4541.

21. Chen J., Duan J., Anokhin E.O., Xia Z., Svetogorov R.D., Semina A.A., Nygaard R.R., Eliseev A.A., Gorbachev E.A., Trusov L.A. Hard magnetic colloidal nanoplates with tunable size for magneto-optical applications. J. Mater. Chem. C, The Royal Society of Chemistry, 2024, 12(37), P. 14865–14875.

22. Grigorieva N.A., Chen H., Semina A.A., Pavel E., Eliseev A.A., Zuo T., Eliseev A.A., Sergey V. Small-Angle Polarized Neutron Scattering Study of Strontium Hexaferrite Nanoplates Ferrofluid. J. Appl. Crystallogr., 2026, 59(4).

23. Eliseev A.A., Trusov L.A., Anokhin E.O., Chumakov A.P., Korolev V. V., Sleptsova A.E., Boesecke P., Pryakhina V.I., Shur V.Y., Kazin P.E., Eliseev A.A. Tunable order in colloids of hard magnetic hexaferrite nanoplatelets. Nano Res., 2022, 15(2), P. 898–906.