Jul 4, 2021 6 min read malzeme bilimi

Yeni Başlayanlar için Manyetizma

Bu yazıyı Koç Üniversitesi Yaz Araştırma programı kapsamında araştırma ödevi için mikromanyetizmayı öğrenirken hazırladım.

Bir elektron orbitalinde dolanırken bu hareketten dolayı bir manyetik torka sahip olur. Bu manyetik dipol momenti, yörünge dipol momenti olarak adlandırılır ve akımın (elektronun dönüşünün tersi) yönünde sağ elimizi sardığımızda baş parmağımızın baktığı yöndedir.

Görsel alıntıdır. Modelling antiferromagnetic interfaces with MuMax3 - Scientific Figure on ResearchGate. Available from: https://www.researchgate.net/figure/Classical-concept-of-the-orbital-magnetic-moment-l-of-an-electron-orbiting-a-nucleus_fig31_319542453 [accessed 2 Jul, 2021]

Yukarıdaki görselde $\mu_l$ manyetik dipol momentini, $L$ açısal momentumunu, $I$ akımın yönünü, $V$ ise elektronun hızını temsil eder. Sağ elinizin parmaklarını sanki akımın yönünde tüm yörüngeyi sararmışcasına kapatırsanız baş parmağınızın baktığı yönün $\mu_l$ olduğunu göreceksiniz.

Buna ek olarak her elektron kendi içlerinde spin özelliğine sahiptir. Bu spinlerden dolayı da hareket yönüne dik yönde bir manyetik dipol momenti oluşur. Bu tip manyetik momente de spin dipol momenti denir.

Örneğin tüm bir atom düşünüldüğünde, tüm spin dipol momentlerinin ve yörünge dipol momentlerinin toplamı bir vektörü verir. Bu vektörün büyüklüğünün sıfır olması, maddede herhangi bir net yönelim, yani bir manyetik özellik, olmadığını gösterir. Bu tip maddelere paramanyetik malzemeler deriz. Eğer ki tüm bu manyetik torkların (Moment ile tork aynı anlama gelmektedir.) toplamı sıfırdan farklı bir büyüklük ifade ediyor ise bu madde manyetiktir ve ferromanyetik malzeme denir.

Bir ferromanyetik maddenin sıcaklığı arttırıldığında atomlarının bağları kopacağından ve titreşim hareketi sıklaşacağından paramanyetikleşmeye doğru manyetik momenti azalma eğilimi gösterir.

Grafikte görülen X ekseni manyetik dipol momentin, T ekseni ise sıcaklığın ölçeğidir. Fark edileceği üzere ferromanyetik malzemeler belirli bir sıcaklık -ki buna Curie sıcaklığı denir- ardından paramanyetik malzemelere benzerler. (Kaynak: https://qsstudy.com/physics/curie-point)

Demirin bir ferromanyetik olduğunu bilsek de iki demir parçasının hiçbir başka etki olmadan birbiri ile etkileşmediğini deneyimlemişsinizdir. Bunun sebebi, demirin atomik ölçekte herahngi bir atomunun çevresindeki manyetik dipol momentler aynı olsa da makro ölçekte aslında kümelenmiş vaziyettedirler. Bu kümelere domen (en. domain) denir.

(Kaynak: Inverted Linear Halbach Array for Separation of Magnetic Nanoparticles - Scientific Figure on ResearchGate. Available from: https://www.researchgate.net/figure/Magnetic-domains-of-ferromagnetic-materials-in-the-absence-left-and-presence-right_fig2_290994683 [accessed 2 Jul, 2021])

Görselde görüldüğü üzere, ilk benzetim 12 ferromanyetik malzemenin birleşimi gibi çizilmesi, aslında düşünecek olursanız, demirin de birçok küçük demir parçasının birleşimi olduğu bilgisi ile anlaşılabilinir. Çevreden gelen manyetik alan etkisi ile manyetik alanın yönündeki domenin sınır duvarları genişler ve maddenin çoğunlukla o yönelime sahip olmasını sağlar. Bu çoğunluğa erişmiş maddeler artık mıknatıslık özelliği gösterir ve mıknatıs olarak sınıflandırılır.

Dışarıdan manyetik alan etkisi ile domenlerdeki atomların manyetik dipol momentlerini değiştirme işi, maddelere özgü bir yönelimde daha kolay gerçekleşir. Burada kast edilen, herhangi bir $X$ maddesi için o maddenin tüm domenlerini aynı yönelime doğrultmak istiyorsak vermemiz gereken enerjiyi en aza indirgeyecek bir $Y$ manyetik alan etkisi yönü bulunur. Her $X$ maddesi için $Y$ ayrıdır. Örneğin demir için bu <100> yönüdür. Eğer ki bir demir parçasının tüm domenlerini <100>'den farklı bir yönelimle değiştirmeye kalkarsak bir süre sonra farklı yönelimli domen sayısı ikiye inecek ve teke düşürmek için çok yüksek miktarda enerji (manyetik alanın büyümesi) gerekecektir. Bu zorluğun sebebi kristal manyetik anizotropi olarak söylenebilir. "Kristal (manyetik) anizotropi, kristal içinde mıknatıslanmayı belirli bir yönde tutmaya çalışan kuvvet olarak düşünülebilir."$^{[3]}$ Kristal manyetik anizotropinin büyüklüğü sıcaklık arttıkça azalır.

Bir maddeyi mıknatıslamanın genelde en kolay iki yönü vardır ve bunlar birbirlerine $180^\circ$'dir. Bu iki yönü gösteren paralel doğruya kolay eksen (en. easy axis) denir.

Dışarıdan verilen manyetik alana göre malzemenin manyetik özelliğindeki değişim histerisiz eğrisi ile gösterilir. Aşağıdaki sunum sayfasında biraz daha detaylı bilgiyi bulabilirsiniz. Eğrinin içinde kalan alanın büyüklüğü çevrim boyunca kaybolan enerjiyi verir.

Kaynak: https://www.slideshare.net/AyanleAli3/manyetik-malzemenin-kayplar

Veri Depolama Örneği

Bu başlıktaki bilgiler $[4]$ kaynağından alınmıştır.

Şimdiye kadar kısa bir manyetizma girişi yapmış olmamıza rağmen, bu temeller ile herhangi bir pratik örnek nasıl yaratılmış olabilir, göstermedim. Şimdiki örnekte sizlere manyetik depolama birimlerinin temelde nasıl çalıştığını anlatacağım.

Figür 1. Kesikli çizgi, elektron akışını temsil ediyor olsun. Bu akımın yönü blok diyagramına doğrudur. İzolasyon bloğunun her iki tarafı da manyetik yönelmeye hazır blokları temsil eder. Üzerlerindeki oklar bu yönelimlerin yönüdür.

Bir verinin depolanması işlemi, öncelikle Figür 1'de görülen bloklardan elektron akımının giriş yaptığı bloğun manyetik yöneliminin belirlenmesi ile başlar. Bizim örneğimizde bu yön yukarı yön olarak seçilmiştir. Manyetik dipol momentleri farklı farklı olan elektronlar ilk olarak yukarı yönlü manyetik alana sahip bir bloktan geçerken yukarı yönlü bir manyetik dipol momente sahip olacaklardır. Ardından izolasyon bölgesini geçip diğer bloğa geldiklerined paramanyetik halde bulunan bu bloğu etkileyecek ve bloğa yukarı yönlü manyetik dipol momenti kazandıracaklardır. Şimdilik bir bilgi yazmış bulunmaktayız. Bu işlem için gereken akım miktarı okuma için gerekenden pek tabi ki fazladır.

Okuma olayına gelirsek, daha düşük bir akım ile, yine karmaşık manyetik dipol momentlerine sahip olan elektronları hali hazırda yukarı yönlü bilgi yazılmış bu bloklarımıza gönderdiğimizi varsayalım. Öncelikle ilk bloktaki yukarı yönelimli manyetik alan sayesinde elektronlarımızın dipol momentleri yukarı yön kazanacaklardır. Bunun ardından izolasyondan geçip diğer bloğa varacaklardır. Eğer ki bu blok yine yukarı yönlü ise bu bloktan rahatlıkça geçip karşıya ulaşacak ve örneğin bir LED'i yakacaktır – bilgiyi biz görebilelim diye kafamızda bir deney tasarladık. Eğer izolasyondan sonra geçeceğimiz bloğun manyetik dipol momenti aşağı yönlü ise, bu yönü de değiştirecek gerekli akımdan daha az akımla elektronlar geldiği için, bu bloktan geçemeyecektir ve bunun sonucunda elektronlar LED'imize varamadığı için LED'te ışık göremeyeceğiz.

Halihazırda veri yazılmış bir sistemin verisini yok etmek için yalnızca iki yol bulunur. Bunlardan biri Curie sıcaklığını sisteme vererek sistemdeki tüm manyetizmayı bozmak, diğeri ise ikinci (çıkış) bloğundaki veriyi değiştirebilecek kadar ters yönelimli elektron akımını ikinci bloğa göndermek. İkinci yol, bizim zaten kullandığımız veriyi yeniden yazma yolumuzdur. İlk olarak izolatörden önceki bloğun yönelimini yazılacak verinin yönelimine değiştiriz ve daha sonra ikinci bloğa akmasına izin veririz. Bu akım, öyle güçlü bir akım olur ki, ikinci bloktaki manyetik dipol momenti değiştirebilir. Bu sürecin ardından verimiz değişti diyebiliriz.