Influence of the driving mechanism on the response of systems with athermal dynamics: The example of the random-field Ising model

We investigate the influence of the driving mechanism on the hysteretic response of systems with athermal dynamics. In the framework of local mean-field theory at finite temperature (but neglecting thermally activated processes), we compare the rate-independent hysteresis loops obtained in the random field Ising model when controlling either the external magnetic field H or the extensive magnetization M. Two distinct behaviors are observed, depending on disorder strength. At large disorder, the H-driven and M-driven protocols yield identical hysteresis loops in the thermodynamic limit. At low disorder, when the H-driven magnetization curve is discontinuous (due to the presence of a macroscopic avalanche), the M-driven loop is reentrant while the induced field exhibits strong intermittent fluctuations and is only weakly self-averaging. The relevance of these results to the experimental observations in ferromagnetic materials, shape memory alloys, and other disordered systems is discussed.

Magnetic superelasticity and inverse magnetocaloric effect in Ni-Mn-In

Applying a magnetic field to a ferromagnetic Ni50Mn34In16 alloy in the martensitic state induces a structural phase transition to the austenitic state. This is accompanied by a strain which recovers on removing the magnetic field, giving the system a magnetically superelastic character. A further property of this alloy is that it also shows the inverse magnetocaloric effect. The magnetic superelasticity and the inverse magnetocaloric effect in Ni-Mn-In and their association with the first-order structural transition are studied by magnetization, strain, and neutron-diffraction studies under magnetic field.

Cooling and heating by adiabatic magnetization in Ni50Mn34In16 magnetic shape-memory alloy

We report on measurements of the adiabatic temperature change in the inverse magnetocaloric Ni50Mn34In16 alloy. It is shown that this alloy heats up with the application of a magnetic field around the Curie point due to the conventional magnetocaloric effect. In contrast, the inverse magnetocaloric effect associated with the martensitic transition results in the unusual decrease of temperature by adiabatic magnetization. We also provide magnetization and specific heat data which enable to compare the measured temperature changes to the values indirectly computed from thermodynamic relationships. Good agreement is obtained for the conventional effect at the second-order paramagnetic-ferromagnetic phase transition. However, at the first-order structural transition the measured values at high fields are lower than the computed ones. Irreversible thermodynamics arguments are given to show that such a discrepancy is due to the irreversibility of the first-order martensitic transition.

Quantum decay of metastable states in small magnetic particles

We present an imaginary-time path-integral study of the problem of quantum decay of a metastable state of a uniaxial magnetic particle placed in the magnetic field at an arbitrary angle. Our findings agree with earlier results of Zaslavskii obtained by mapping the spin Hamiltonian onto a particle Hamiltonian. In the limit of low barrier, weak dependence of the decay rate on the angle is found, except for the field which is almost normal to the anisotropy axis, where the rate is sharply peaked, and for the field approaching the parallel orientation, where the rate rapidly goes to zero. This distinct angular dependence, together with the dependence of the rate on the field strength, provides an independent test for macroscopic spin tunneling.

Reply to "Comment on 'Erasing glassy state in magnetic fine particles'"

The Comment affirms that no phase transition occurs in spin-glass systems with an applied magnetic field. However, only according to the droplet model is this result expected. Other models do not predict this result and, consequently, it is under current discussion. In addition, we show how the experimental results obtained in our system correspond to a cluster glass rather than to a true spin glass.

Magnetism of isolated Mn12 single-molecule magnets detected by magnetic circular dichroism: Observation of spin tunneling with a magneto-optical technique

We report magnetic and magneto-optical measurements of two Mn12 single-molecule magnet derivatives isolated in organic glasses. Field-dependent magnetic circular dichroism (MCD) intensity curves (hysteresis cycles) are found to be essentially identical to superconducting quantum interference device magnetization results and provide experimental evidence for the potential of the optical technique for magnetic characterization. Optical observation of magnetic tunneling has been achieved by studying the decay of the MCD signal at weak applied magnetic field

Observation of phonon-induced magnetic deflagration in manganites

Very fast magnetic avalanches in (La, Pr)-based manganites are the signature of a phase transition from an insulating blocked charge-ordered antiferromagnetic state to a charge-delocalized ferromagnetic (CD-FM) state. We report here the experimental observation that this transition does not occur either simultaneously or randomly in the whole sample but there is instead a spatial propagation with a velocity of the order of tens of m/s. Our results show that avalanches originate from the inside of the sample, move to the outside, and occur at values of the applied magnetic field that depend on the CD-FM fraction in the sample. Moreover, upon application of surface acoustic waves at constant magnetic fields, we are able to trigger avalanches at very well-determined values of the temperature and magnetic field. Due to the interaction with the acoustic waves, the number of isolated ferromagnetic clusters in La0.225Pr0.40Ca0.375MnO3 starts to grow across the entire sample in the same way as if it were a magnetic deflagration.

Topological magnetic irreversibility in superconducting Pb samples of various shapes

The magnetic-field dependence of the magnetization of cylinders, disks, and spheres of pure type-I superconducting lead was investigated by means of isothermal measurements of first magnetization curves and hysteresis cycles. Depending on the geometry of the sample and the direction and intensity of the applied magnetic field, the intermediate state exhibits different irreversible features that become particularly highlighted in minor hysteresis cycles. The irreversibility is noticeably observed in cylinders and disks only when the magnetic field is parallel to the axis of revolution and is very subtle in spheres. When the magnetic field decreases from the normal state, the irreversibility appears at a temperature-dependent value whose distance to the thermodynamic critical field depends on the sample geometry. The irreversible features in the disks are altered when they are submitted to an annealing process. These results agree well with very recent high-resolution magneto-optical experiments in similar materials that were interpreted in terms of transitions between different topological structures for the flux configuration in the intermediate state. A discussion of the relative role of geometrical barriers for flux entry and exit and pinning effects as responsible for the magnetic irreversibility is given.

Magnetic and processability studies on rubber ferrite composites based on natural rubber and mixed ferrite

Polycrystalline single phasic mixed ferrites belonging to the series Ni1−xZnxFe2O4 for various values of x have been prepared by conventional ceramic techniques. Pre-characterized nickel zinc ferrites were then incorporated into a natural rubber matrix according to a specific recipe for various loadings. The processability and cure parameters were then determined. The magnetic properties of the ceramic filler as well as the ferrite loaded rubber ferrite composites (RFC) were evaluated and compared. A general equation for predicting the magnetic properties was also formulated. The validity of these equations were then checked and correlated with the experimental data. The coercivity of the RFCs almost resemble that of the ceramic component in the RFC. Percolation threshold is not reached for a maximum loading of 120 phr (parts per hundred rubber by weight) of the filler. These studies indicate that flexible magnets can be made with appropriate magnetic properties namely saturation magnetisation (Ms) and magnetic field strength (Hc) by a judicious choice of x and a corresponding loading. These studies also suggest that there is no possible interaction between the filler and the matrix at least at the macroscopic level. The formulated equation will aid in synthesizing RFCs with predetermined magnetic

Nonlinear and magneto-optical transmission studies on magnetic nanofluids of non-interacting metallic nickel nanoparticles

Oxide free stable metallic nanofluids have the potential for various applications such as in thermal management and inkjet printing apart from being a candidate system for fundamental studies. A stable suspension of nickel nanoparticles of ∼5 nm size has been realized by a modified two-step synthesis route. Structural characterization by x-ray diffraction and transmission electron microscopy shows that the nanoparticles are metallic and are phase pure. The nanoparticles exhibited superparamagnetic properties. The magneto-optical transmission properties of the nickel nanofluid (Ni-F) were investigated by linear optical dichroism measurements. The magnetic field dependent light transmission studies exhibited a polarization dependent optical absorption, known as optical dichroism, indicating that the nanoparticles suspended in the fluid are non-interacting and superparamagnetic in nature. The nonlinear optical limiting properties of Ni-F under high input optical fluence were then analyzed by an open aperture z-scan technique. The Ni-F exhibits a saturable absorption at moderate laser intensities while effective two-photon absorption is evident at higher intensities. The Ni-F appears to be a unique material for various optical devices such as field modulated gratings and optical switches which can be controlled by an external magnetic field

Selbstassemblierte Monolagen und magnetisch strukturierte Submonolagen mit dia- und paramagnetischen Molekülen sowie Einzelmolekülmagneten auf Phthalocyanin- und Subphthalocyanin-Basis

Mit dieser Arbeit wurde die Selbstassemblierung von dia- und paramagnetischen Molekülen sowie Einzelmolekülmagneten auf Goldsubstraten und magnetisch strukturierten Substraten untersucht. Dazu wurden drei verschiedene Klassen an Phthalocyaninderivaten verwendet: Diamagnetische Subphthalocyanine, paramagnetische Phthalocyaninatometalle und Diphthalocyaninatolanthanidkomplexe. Alle synthetisierten Verbindungen sind peripher thioethersubstituiert. Die Alkylketten (a: n-C8H17, b: n-C12H25) vermitteln die Löslichkeit in vielen organischen Solventien und sorgen für eine geordnete Assemblierung auf einer Oberfläche, wobei die Bindung auf Gold hauptsächlich über die Schwefelatome stattfindet. Die aus Lösung abgeschiedenen selbstassemblierten Monolagen wurden mit XPS, NEXAFS-Spektroskopie und ToF-SIMS untersucht. Bei der Selbstassemblierung auf magnetisch strukturierten Substraten stehen die Moleküle unter dem Einfluss magnetischer Streufelder und binden bevorzugt nur in bestimmten Bereichen. Die gebildeten Submonolagen wurden zusätzlich mit X-PEEM untersucht. Die erstmals dargestellten Manganphthalocyanine [MnClPc(SR)8] 1 wurden ausgehend von MnCl2 erhalten. Hier fand bei der Aufarbeitung an Luft eine Oxidation zu Mangan(III) statt; +III ist die stabilste Oxidationsstufe von Mangan in Phthalocyaninen. Der Nachweis des axialen Chloridoliganden erfolgte mit Massenspektrometrie und FIR- sowie Raman-Spektroskopie. SQUID-Messungen haben gezeigt, dass die Komplexe 1 vier ungepaarte Elektronen haben. Bei den Subphthalocyaninen [BClSubpc(SR)6] 2 wurde der axiale Chloridoligand mit dem stäbchenförmigen Phenolderivat 29-H substituiert und die erfolgreiche Ligandensubstitution durch NMR- und IR-Spektroskopie sowie Massenspektrometrie an den Produkten [BSubpc(SR)6(29)] 30 belegt. Der Radikalcharakter der synthetisierten Terbiumkomplexe [Tb{Pc(SR)8}2] 3 wurde spektroskopisch nachgewiesen; SQUID-Messungen ergaben, dass es sich um Einzelmolekülmagnete mit einer Energiebarriere U des Doppelpotentialtopfs von 880 K oder 610 cm-1 bei 3a handelt. Zunächst wurden die SAMs der Komplexverbindungen 1, 2, 30 und 3 auf nicht magnetisch strukturierten Goldsubstraten untersucht. Die Manganphthalocyanine 1 bilden geordnete SAMs mit größtenteils flach liegenden Molekülen, wie die XPS-, NEXAFS- und ToF-SIMS-Analyse zeigte. Die Mehrzahl der Thioether-Einheiten ist auf Gold koordiniert und die Alkylketten zeigen ungeordnet von der Oberfläche weg. Bei der Adsorption findet eine Reduktion zu Mangan(II) statt und der axiale Chloridoligand wird abgespalten. Das beruht auf dem sog. Oberflächen-trans-Effekt. Im vorliegenden Fall übt die Metalloberfläche einen stärkeren trans-Effekt als der axiale Ligand aus, was bisher experimentell noch nicht beobachtet wurde. Die thioethersubstituierten Subphthalocyanine 2 und 30 sowie die Diphthalocyaninatoterbium-Komplexe 3 sind ebenfalls für SAMs geeignet. Ihre Monolagen wurden mit XPS und NEXAFS-Spektroskopie untersucht, und trotz einer gewissen Unordnung in den Filmen liegen die Moleküle jeweils im Wesentlichen flach auf der Goldoberfläche. Vermutlich sind bei diesen Systemen auch die Alkylketten größtenteils parallel zur Oberfläche orientiert. Im Gegensatz zu den Manganphthalocyaninen 1 tritt bei 2b, 30a, 30b und 3b neben der koordinativen Bindung der Schwefelatome auf Gold auch eine für Thioether nicht erwartete kovalente Au–S-Bindung auf, die durch C–S-Bindungsbruch unter Abspaltung der Alkylketten ermöglicht wird. Der Anteil, zu dem dieser Prozess stattfindet, scheint nicht mit der Molekülstruktur zu korrelieren. Selbstassemblierte Submonolagen auf magnetisch strukturierten Substraten wurden mit dem diamagnetischen Subphthalocyanin 2b hergestellt. Der Nachweis der Submonolagen war schwierig und gelang schließlich durch eine Kombination von ToF-SIMS, NEXAFS Imaging und X-PEEM. Die Analyse der ToF-SIMS-Daten zeigte, dass tatsächlich eine Modulation der Verteilung der Moleküle auf einem unterwärts magnetisch strukturierten Substrat eintritt. Mit X-PEEM konnte die magnetische Struktur der ferromagnetischen Schicht des Substrats direkt der Verteilung der adsorbierten Moleküle zugeordnet werden. Die Subphthalocyanine 2b adsorbieren nicht an den Domänengrenzen, sondern vermehrt dazwischen. Auf Substraten mit abwechselnd 6.5 und 3.5 µm breiten magnetischen Domänen binden die Moleküle bevorzugt in den Bereichen geringster magnetischer Streufeldgradienten, also den größeren Domänen. Solche Substrate wurden für die ToF-SIMS- und X-PEEM-Messungen verwendet. Bei größeren magnetischen Strukturen mit ca. 400 µm breiten Domänen, wie sie aufgrund der geringeren Ortsauflösung dieser Methode für NEXAFS Imaging eingesetzt wurden, binden die Moleküle dann in allen Domänen. Die diamagnetischen Moleküle werden nach dieser Interpretation aus dem inhomogenen Magnetfeld über der Probenoberfläche heraus gedrängt und verhalten sich analog makroskopischer Diamagnete. Die eindeutige Detektion der Moleküle auf den magnetisch strukturierten Substraten konnte bisher nur für die diamagnetischen Subphthalocyanine 2b erfolgen. Um die Interpretation ihres Verhaltens bei der Selbstassemblierung in einem inhomogenen Magnetfeld weiter voranzutreiben, wurde das Subphthalocyanin 37b dargestellt, welches ein stabiles organisches TEMPO-Radikal in seinem axialen Liganden enthält. Das paramagnetische Subphthalocyanin 37b sollte auf den magnetisch strukturierten Substraten in Regionen starker magnetischer Streufelder binden und damit das entgegengesetzte Verhalten zu den diamagnetischen Subphthalocyaninen 2b zeigen. Aus Zeitgründen konnte dieser Nachweis im Rahmen dieser Arbeit noch nicht erbracht werden.

Transport magnetischer Partikel durch maßgeschneiderte magnetische Feldlandschaften zur Anwendung in mikrofluidischen Mischprozessen

Die Miniaturisierung von konventioneller Labor- und Analysetechnik nimmt eine zentrale Rolle im Bereich der allgemeinen Lebenswissenschaften und medizinischen Diagnostik ein. Neuartige und preiswerte Technologieplattformen wie Lab-on-a-Chip (LOC) oder Mikrototalanalysesysteme (µTAS) versprechen insbesondere im Bereich der Individualmedizin einen hohen gesellschaftlichen Nutzen zur frühzeitigen und nichtinvasiven Diagnose krankheitsspezifischer Indikatoren. Durch den patientennahen Einsatz preiswerter und verlässlicher Mikrochips auf Basis hoher Qualitätsstandards entfallen kostspielige und zeitintensive Zentrallaboranalysen, was gleichzeitig Chancen für den globalen Einsatz - speziell in Schwellen- und Entwicklungsländern - bietet. Die technischen Herausforderungen bei der Realisierung moderner LOC-Systeme sind in der kontrollierten und verlässlichen Handhabung kleinster Flüssigkeitsmengen sowie deren diagnostischem Nachweis begründet. In diesem Kontext wird der erfolgreichen Integration eines fernsteuerbaren Transports von biokompatiblen, magnetischen Mikro- und Nanopartikeln eine Schlüsselrolle zugesprochen. Die Ursache hierfür liegt in der vielfältigen Einsetzbarkeit, die durch die einzigartigen Materialeigenschaften begründet sind. Diese reichen von der beschleunigten, aktiven Durchmischung mikrofluidischer Substanzvolumina über die Steigerung der molekularen Interaktionsrate in Biosensoren bis hin zur Isolation und Aufreinigung von krankheitsspezifischen Indikatoren. In der Literatur beschriebene Ansätze basieren auf der dynamischen Transformation eines makroskopischen, zeitabhängigen externen Magnetfelds in eine mikroskopisch veränderliche potentielle Energielandschaft oberhalb magnetisch strukturierter Substrate, woraus eine gerichtete und fernsteuerbare Partikelbewegung resultiert. Zentrale Kriterien, wie die theoretische Modellierung und experimentelle Charakterisierung der magnetischen Feldlandschaft in räumlicher Nähe zur Oberfläche der strukturierten Substrate sowie die theoretische Beschreibung der Durchmischungseffekte, wurden jedoch bislang nicht näher beleuchtet, obwohl diese essentiell für ein detailliertes Verständnis der zu Grunde liegenden Mechanismen und folglich für einen Markteintritt zukünftiger Geräte sind. Im Rahmen der vorgestellten Arbeit wurde daher ein neuartiger Ansatz zur erfolgreichen Integration eines Konzepts zum fernsteuerbaren Transport magnetischer Partikel zur Anwendung in modernen LOC-Systemen unter Verwendung von magnetisch strukturierten Exchange-Bias (EB) Dünnschichtsystemen verfolgt. Die Ergebnisse zeigen, dass sich das Verfahren der ionenbe-schussinduzierten magnetischen Strukturierung (IBMP) von EB-Systemen zur Herstellung von maßgeschneiderten magnetischen Feldlandschaften (MFL) oberhalb der Substratoberfläche, deren Stärke und räumlicher Verlauf auf Nano- und Mikrometerlängenskalen gezielt über die Veränderung der Materialparameter des EB-Systems via IBMP eingestellt werden kann, eignet. Im Zuge dessen wurden erstmals moderne, experimentelle Verfahrenstechniken (Raster-Hall-Sonden-Mikroskopie und rastermagnetoresistive Mikroskopie) in Kombination mit einem eigens entwickelten theoretischen Modell eingesetzt, um eine Abbildung der MFL in unterschiedlichen Abstandsbereichen zur Substratoberfläche zu realisieren. Basierend auf der quantitativen Kenntnis der MFL wurde ein neuartiges Konzept zum fernsteuerbaren Transport magnetischer Partikel entwickelt, bei dem Partikelgeschwindigkeiten im Bereich von 100 µm/s unter Verwendung von externen Magnetfeldstärken im Bereich weniger Millitesla erzielt werden können, ohne den magnetischen Zustand des Substrats zu modifizieren. Wie aus den Untersuchungen hervorgeht, können zudem die Stärke des externen Magnetfelds, die Stärke und der Gradient der MFL, das magnetfeldinduzierte magnetische Moment der Partikel sowie die Größe und der künstlich veränderliche Abstand der Partikel zur Substratoberfläche als zentrale Einflussgrößen zur quantitativen Modifikation der Partikelgeschwindigkeit genutzt werden. Abschließend wurde erfolgreich ein numerisches Simulationsmodell entwickelt, das die quantitative Studie der aktiven Durchmischung auf Basis des vorgestellten Partikeltransportkonzepts von theoretischer Seite ermöglicht, um so gezielt die geometrischen Gegebenheiten der mikrofluidischen Kanalstrukturen auf einem LOC-System für spezifische Anwendungen anzupassen.

The expected imprint of flux rope geometry on suprathermal electrons in magnetic clouds

Magnetic clouds are a subset of interplanetary coronal mass ejections characterized by a smooth rotation in the magnetic field direction, which is interpreted as a signature of a magnetic flux rope. Suprathermal electron observations indicate that one or both ends of a magnetic cloud typically remain connected to the Sun as it moves out through the heliosphere. With distance from the axis of the flux rope, out toward its edge, the magnetic field winds more tightly about the axis and electrons must traverse longer magnetic field lines to reach the same heliocentric distance. This increased time of flight allows greater pitch-angle scattering to occur, meaning suprathermal electron pitch-angle distributions should be systematically broader at the edges of the flux rope than at the axis. We model this effect with an analytical magnetic flux rope model and a numerical scheme for suprathermal electron pitch-angle scattering and find that the signature of a magnetic flux rope should be observable with the typical pitch-angle resolution of suprathermal electron data provided ACE's SWEPAM instrument. Evidence of this signature in the observations, however, is weak, possibly because reconnection of magnetic fields within the flux rope acts to intermix flux tubes.

Coronal mass ejections and magnetic flux buildup in the heliosphere

To test for magnetic flux buildup in the heliosphere from coronal mass ejections (CMEs), we simulate heliospheric flux as a constant background open flux with a time-varying interplanetary CME (ICME) contribution. As flux carried by ejecta can only contribute to the heliospheric flux budget while it remains closed, the ICME flux opening rate is an important factor. Two separate forms for the ICME flux opening rate are considered: (1) constant and (2) exponentially decaying with time. Coronagraph observations are used to determine the CME occurrence rates, while in situ observations are used to estimate the magnetic flux content of a typical ICME. Both static equilibrium and dynamic simulations, using the constant and exponential ICME flux opening models, require flux opening timescales of ∼50 days in order to match the observed doubling in the magnetic field intensity at 1 AU over the solar cycle. Such timescales are equivalent to a change in the ICME closed flux of only ∼7–12% between 1 and 5 AU, consistent with CSE signatures; no flux buildup results. The dynamic simulation yields a solar cycle flux variation with high variability that matches the overall variability of the observed magnetic field intensity remarkably well, including the double peak forming the Gnevyshev gap.

On the evolution of the solar wind between 1 and 5 AU at the time of the Cassini Jupiter flyby: Multispacecraft observations of interplanetary coronal mass ejections including the formation of a merged interaction region

The Cassini flyby of Jupiter occurred at a time near solar maximum. Consequently, the pre-Jupiter data set reveals clear and numerous transient perturbations to the Parker Spiral solar wind structure. Limited plasma data are available at Cassini for this period due to pointing restrictions imposed on the instrument. This renders the identification of the nature of such structures ambiguous, as determinations based on the magnetic field data alone are unreliable. However, a fortuitous alignment of the planets during this encounter allowed us to trace these structures back to those observed previously by the Wind spacecraft near the Earth. Of the phenomena that we are satisfactorily able to trace back to their manifestation at 1 AU, two are identified as being due to interplanetary coronal mass ejections. One event at Cassini is shown to be a merged interaction region, which is formed from the compression of a magnetic cloud by two anomalously fast solar wind streams. The flux-rope structure associated with this magnetic cloud is not as apparent at Cassini and has most likely been compressed and deformed. Confirmation of the validity of the ballistic projections used here is provided by results obtained from a one-dimensional magnetohydrodynamic projection of solar wind parameters measured upstream near the Earth. It is found that when the Earth and Cassini are within a few tens of degrees in heliospheric longitude, the results of this one-dimensional model predict the actual conditions measured at 5 AU to an impressive degree. Finally, the validity of the use of such one-dimensional projections in obtaining quasi-solar wind parameters at the outer planets is discussed.