磁性纳米颗粒有序组装中的弛豫行为

我们通过计算机模拟研究了二维（$l^{}_x \times l^{}_y$）磁性纳米颗粒（MNPs）阵列中的弛豫特性随长宽比 $A^{}_r=l^{}_y/l^{}_x$、偶极相互作用强度 $h^{}_d$ 以及各向异性轴取向的变化关系。假定所有 MNPs 的各向异性轴方向相同，$\alpha$ 为取向角。无论 $\alpha$ 与 $A^{}_r$ 如何，在 $h^{}_d\leq0.2$ 时磁化衰减曲线的函数形式均为完美的指数衰减。在 $h^{}_d\approx0.4$ 处存在弛豫行为的转变；当 $\alpha\leq45^\circ$ 时磁化弛豫缓慢，而当 $\alpha>45^\circ$ 时弛豫迅速。有趣的是，对于 $h^{}_d>0.6$，无论 $\alpha$ 为何值均衰减迅速。这是因为此类情形下偶极相互作用促进了反铁磁耦合。在高度各向异性体系（$A^{}_r\geq25$）中 $\alpha$ 对磁弛豫有强烈影响。在巨大长宽比 $A^{}_r=400$ 的情形下呈现出有趣的物理现象。即便对于弱相互作用 MNPs，磁化也随 $\alpha$ 迅速衰减。值得注意的是，由于铁磁耦合占主导，即便在中等 $h^{}_d=0.4$ 与 $\alpha=0^\circ$ 下磁化也不弛豫。令人惊讶的是，当 $\alpha>60^\circ$ 时出现从饱和（+1）到 $-1$ 态的完全磁化反转。此种情形下偶极场与各向异性轴趋于彼此反平行排列。有效 N\'eel 弛豫时间 $\tau^{}_N$ 在小的 $h^{}_d$ 与 $A^{}_r\leq25.0$ 时对 $\alpha$ 依赖较弱。对于大 $A^{}_r$，当 $\alpha$ 从 0 增至 $90^\circ$ 时 $\tau^{}_N$ 急剧下降。这些结果有益于数据与能源存储方面的应用，其中此类受控磁化排列与所需结构各向异性是所期望的。