超順磁性

超順磁性（superparamagnetism)：如果磁性材料是一單疇顆粒的集合體，對於每一個顆粒而言，由於磁性原子或離子之間的交換作用很強，磁矩之間將平行取向，而且磁矩取向在由磁晶各向異性所決定的易磁化方向上，但是顆粒之間由於易磁化方向不同，磁矩的取向也就不同。現今，如果進一步減小顆粒的尺寸即體積，因為總的磁晶各向異性能正比於K₁V，熱擾動能正比於kT（K₁是磁晶各向異性常數，V是顆粒體積，k是玻爾茲曼常數，T是樣品的絕對温度），顆粒體積減小到某一數值時，熱擾動能將與總的磁晶各向異性能相當，這樣，顆粒內的磁矩方向就可能隨着時間的推移，整體保持平行地在一個易磁化方向和另一個易磁化方向之間反覆變化。從單疇顆粒集合體看，不同顆粒的磁矩取向每時每刻都在變換方向，這種磁性的特點和正常順磁性的情況很相似，但是也不盡相同。因為在正常順磁體中，每個原子或離子的磁矩只有幾個玻爾磁子，但是對於直徑5nm的特定球形顆粒集合體而言，每個顆粒可能包含了5000個以上的原子，顆粒的總磁矩有可能大於10000個玻爾磁子。所以把單疇顆粒集合體的這種磁性稱為超順磁性。

超順磁性行為有兩個最重要的特點：一是如果以磁化強度M為縱座標，以H/T為橫座標作圖（H是所施加的磁場強度，T是絕對温度），則在單疇顆粒集合體出現超順磁性的温度範圍內，分別在不同的温度下測量其磁化曲線，這些磁化曲線必定是重合在一起的。二是不會出現磁滯，即集合體的剩磁和矯頑力都為零。

當鐵磁體或亞鐵磁體的尺寸足夠小的時候，由於熱騷動影響，這些納米粒子會隨機地改變方向。假設沒有外磁場，則通常它們不會表現出磁性。但是，假設施加外磁場，則會被磁化，就像順磁性一樣，而且磁化率超大於順磁體的磁化率。

對於磁性集合體來説，有兩個量很重要：一是出現超順磁性的臨界尺寸（直徑）D_p。如果顆粒系統的温度保持恆定，則只有當顆粒尺寸D≤D_p才有可能呈現超順磁性，該直徑小於單疇顆粒的臨界直徑。二是截止温度T_B，對於足夠小的磁性顆粒，存在一特徵温度T_B，當温度T<T_B時，顆粒呈現強磁性（鐵磁性或亞鐵磁性）；T≥T_B時，顆粒呈現超順磁性。

超順磁性是指鐵磁性物質的顆粒小於臨界尺寸時，外場產生的磁取向力不足以抵抗熱騷動的干擾，其磁化性質與順磁體（見順磁性）相似，稱作超順磁性。臨界尺寸與温度有關，例如球狀鐵粒在室温的臨界半徑為12.5納米，而在4.2K時半徑為2.2納米還是鐵磁性的。

超順磁體的磁化曲線與鐵磁體不同，沒有磁滯現象。當去掉外磁場後，剩磁很快消失。如以H/T（H是磁場強度，T是絕對温度）為座標橫軸，不同温度的磁化曲線合而為一，可用順磁體的磁化公式（朗之萬函數或布里淵函數）表示。外加磁場時，在普通順磁體中，單個原子或分子的磁矩獨立地沿磁場取向；而超順磁體以包含大於10⁵個原子的均勻磁化的單疇作為整體協同取向，所以磁化率較一般順磁體大很多。 ^[1] 

磁性材料的磁性隨温度的變化而變化，當温度低於居里點時，材料的磁性很難被改變；而當温度高於居里點時，材料將變成“順磁體”（paramagnetic），其磁性很容易隨周圍的磁場改變而改變。如果温度進一步提高，或者磁性顆粒的粒度很小時，即便在常温下，磁體的極性也呈現出隨意性，難以保持穩定的磁性能，這種現象被就是所謂超順磁效應（SuperparaMagnetic Effect）。

超順磁效應∶super-paramagnetic effect

自1956年IBM推出RAMAC以來，硬盤的存儲密度從當初200bits/in2提升到現在的100Gbits/in2，整整提高了5千萬倍！但是，由於存儲位變得越來越小，會出現超順磁性效應，熱擾動會降低信號強度，甚至導致存儲失效。

硬盤盤片是通過在盤基上塗覆一層磁性材料製成的，常用的磁性材料為鈷鉑鉻硼（CoPtCrB）合金。磁性材料的顆粒大小直接影響盤片的磁記錄密度，因為磁盤上表示信息的小磁極是由數百個磁性顆粒組成，磁記錄密度越高，要求磁性材料的粒度越細。硬盤的磁記錄密度為20Gbpsi（每個盤片約為30GB）時，磁性顆粒的直徑為13nm，磁性塗層的厚度為17nm左右。要實現100Gbpsi的磁記錄密度，就必須把粒徑和塗層厚度分別縮小到9.5nm和10nm。

隨着磁性顆粒的縮小，表示數據的小磁極會變得越來越不穩定。引起不穩定的原因在於熱能，磁性顆粒必須擁有足夠的磁能才能抗拒顆粒所具有的熱能的干擾。熱能為玻耳茲曼常數與温度的乘積，熱能隨温度升高而增強；而磁能的大小取決於磁力大小和粒子體積，由於已經使用磁性最強的材料，沒有進一步增強磁力的空間了，因此磁性顆粒的磁能將隨粒度的縮小而降低。如果繼續降低磁性顆粒的體積，以至於磁能低於熱能，硬盤本身的温度甚至室温就可以讓磁性顆粒的極性從有序變成無序，導致小磁極的整體極性消失，如圖1（a）。這種現象被稱為“熱攪動（Thermal Fluctuation）”，熱攪動現象將導致數據的永久性丟失。所以説，為提高硬盤存儲密度而縮小磁性顆粒的粒度做法是有限度的。

另一方面，磁盤表面用於表示數據的每個小磁極是由許多磁性顆粒構成的，相鄰的兩個磁磁極之間在盤面上呈現犬牙交錯的形態從而造成小磁極邊緣的磁通相互抵消，這就是所謂的“磁轉變噪音（Magnetic Transition Noise）”。磁轉變噪音減小了磁極的磁場強度，這對讀取信息構成一定的負面影響。如果磁極沒有足夠的長度，磁頭將很難讀取磁盤信息。為了縮短小磁極的長度，同時又要避免這種噪音的影響，只有通過縮小磁性顆粒的直徑，以使磁極的邊緣看上去相當“平齊”而非“犬牙交錯”。為了實現100Gbpsi的記錄密度就必須製作出10nm以下的結晶。

綜合以上兩種情況，磁盤上的磁性顆粒既不能太大，也不能太小。太大會因為磁轉變噪音而降低磁通量，給讀盤帶來困難；而太小又容易發生熱攪動，導致記錄信息的徹底消失。提高存儲密度的工作陷入了兩難困境，如果沒有相應對策，硬盤容量增長的旅程將就此止步。

為克服超順磁效應的障礙，研究人員找到了一些辦法，其中最具代表性的技術是IBM的AFC。（Anti Ferro_ magnetically Coupled，反鐵磁耦合）和富士通的SFM（Synthetic Ferro Media，合成鐵介質），它們雖然名稱不同，原理則基本相同，都是通過使用多層磁體結構來穩定磁記錄信息的技術。下面簡單介紹一下AFC技術的實現原理。 普通磁盤的磁性塗層只有一層，而使用AFC技術，將磁性材料製成多層結構，除記錄層以外，再使用穩定層，並且在記錄層和穩定層之間增加一個釕層（Ru layer）。釕(Ru)元素屬鉑族金屬，為稀有金屬，價格十分昂貴，正因為如此，IBM才稱它為“仙塵”（Pixie Dust），AFC也因此成為一個價格高昂的技術。 釕元素具有反鐵磁性，它能使相鄰兩層之間的磁場方向相反。當寫磁盤時，磁頭所產生的磁場不僅可以在最上層產生小磁極，由於釕層的存在，寫電流所產生的磁場還穿過釕層使穩定層磁化，並使穩定層與記錄層磁體極性相反。穩定層與記錄層之間因磁場反向，異性相吸而相互鎖定，從而實現記錄層磁場的穩定。 傳統介質出現超磁現象的線密度為200Gbpsi，而使用AFC介質後出現超磁現象的線可以提高到達800Gbpsi。因此，AFC介質的出現再次將磁存儲密度的極限向後推移 ^[2]  。