Магнитные домены представляют собой микроскопические области внутри ферромагнитных и ферримагнитных кристаллов, в пределах которых магнитные моменты атомов ориентированы параллельно и образуют область с однородным направлением намагниченности. Формирование доменной структуры является фундаментальным следствием стремления системы к минимизации её полной энергии при существовании сильного обменного взаимодействия между соседними атомами.
В идеальном кристалле, состоящем из атомов с ненулевыми магнитными моментами, взаимодействие через обменную энергию заставляет спины выстраиваться в одном направлении, что приводит к возникновению сильной намагниченности. Однако состояние однородной намагниченности во всём объёме кристалла не всегда является энергетически выгодным. Причина заключается в том, что макроскопический магнит создаёт интенсивное внешнее магнитное поле, сопровождающееся высоким уровнем магнитостатической энергии. Разбиение кристалла на домены позволяет существенно уменьшить эту энергию за счёт компенсации магнитных полей соседних областей.
При образовании доменной структуры участвует несколько видов энергии:
Оптимальная доменная структура образуется как результат компромисса между снижением магнитостатической энергии и затратами энергии на формирование границ доменов.
Граница между соседними доменами называется доменной стенкой. В пределах такой области спины атомов поворачиваются постепенно от направления одного домена к направлению соседнего. Толщина доменной стенки зависит от силы обменного взаимодействия и магнитной анизотропии. Чем сильнее анизотропия, тем резче происходит поворот спинов, и тем тоньше стенка.
Различают несколько типов доменных стенок:
Перемагничивание ферромагнитного кристалла при действии внешнего поля осуществляется не за счёт одновременного поворота всех спинов, а в первую очередь через движение границ доменов. При приложении магнитного поля домены, магнитные моменты которых ориентированы вдоль направления поля, расширяются за счёт смещения доменных стенок, тогда как домены с противоположной ориентацией сжимаются.
На ранних стадиях перемагничивания преобладает именно процесс смещения границ. При дальнейшем увеличении внешнего поля внутри доменов возможен поворот намагниченности в направлении поля, что сопровождается изменением ориентации спинов без существенного изменения размеров доменов.
Геометрические факторы оказывают значительное влияние на доменную структуру. В вытянутых образцах домены чаще ориентированы вдоль длинной оси, поскольку такое распределение уменьшает магнитостатическую энергию. В тонких плёнках и наноструктурах доменная структура отличается от объёмных кристаллов, часто приобретая вихревую или полосчатую форму.
Особый интерес представляют сверхтонкие магнитные плёнки и наночастицы, где критический размер может оказаться меньше характерной толщины доменной стенки. В таких случаях доменная структура не формируется, и частица ведёт себя как однодоменный магнит, проявляя свойства сверхпарамагнетика.
Для изучения доменной структуры применяются разнообразные методы:
Доменная структура играет ключевую роль в определении магнитных свойств твёрдого тела. Коэрцитивная сила, петля гистерезиса, магнитные потери и магнитная проницаемость напрямую связаны с особенностями движения доменных стенок и формированием доменной архитектуры.
Управление доменной структурой имеет важное значение для разработки магнитных материалов, используемых в запоминающих устройствах, трансформаторных сталях, магнитных сенсорах и спинтронике. Разработка методов стабилизации доменных состояний открывает перспективы создания высокоэффективных и энергоэкономичных устройств нового поколения.