《Journal of Magnetism and Magnetic Materials》：Macroscopic experimental validation of remagnetization dynamics in a single-domain magnetic particle
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宏观磁介质退磁化动力学实验平台构建及非线性各向异性扭矩模型验证，通过单域球形钕磁粒子在旋转磁场中的动态行为研究，观测到同步平面旋转、进动和异步摆动等模式，并成功复现理论预测的相图，为纳米磁化动力学提供可扩展的宏观验证体系。
罗伯茨·特雷兹（Roberts Treize）| 扬尼斯·奇穆尔斯（Jānis C??murs）
拉脱维亚大学磁性软材料实验室，Jelgavas街3号，里加（Riga），LV-1002，拉脱维亚
摘要
我们提出了一个宏观实验平台，用于研究单个畴球形颗粒在粘性介质中的重磁化动力学。该颗粒包含两个嵌入式钕磁体，这些磁体可以在3D打印的壳体内自由旋转，并受到由正交亥姆霍兹线圈产生的旋转磁场的作用。该装置模拟了具有有限磁各向异性的纳米级铁磁颗粒的行为。我们观察到了包括同步平面旋转、进动和异步摆动在内的多种动态状态，并将其转换关系映射为场频率和幅度的函数。颗粒和相界的动力学与奇穆尔斯（C??murs）和采伯斯（Cēbers）开发的非线性各向异性扭矩模型的预测结果一致。我们的发现为通常局限于纳米尺度的磁化动力学提供了可量化且可扩展的实验验证。
引言
在旋转或进动磁场的作用下，磁颗粒表现出多种动态状态，从同步旋转和进动到复杂的异步和滞后运动[1]、[2]、[3]。由于这些行为与生物医学应用（如磁热疗[4]、[5]、靶向药物输送[6]和微机器人技术[6]）的相关性，因此已在纳米级和胶体系统中进行了广泛研究。
理论描述通常将磁矩
视为刚性固定的，或者较少情况下与颗粒主体弱耦合，受包含磁各向异性和外部场相互作用的能量势的支配[3]、[7]、[8]。对于具有有限各向异性的颗粒，其动力学变得尤为复杂：随着场幅度和频率的变化，会出现多个吸引子、分岔和突变。这些效应在描述同步平面旋转、进动运动和异步摆动之间转换的相图中得到了体现[3]。
虽然大多数实验研究使用的是微尺度材料，如铁磁流体[9]、磁性Janus胶体[9]或趋磁细菌[10]，但人们对探索宏观类似物越来越感兴趣[11]、[12]、[13]、[14]、[15]、[16]。我们的系统提供了对旋转动力学的直接视觉观察，允许精确控制参数，并通过最小化随机热效应来帮助验证理论模型。
本文的结构如下：第2节介绍了理论中的主要假设、方程和结果（来自[3]），并展示了其与宏观实验的联系。第3节描述了实验装置和测量技术。第4节展示了如何在旋转场中具有有限磁各向异性的颗粒达到稳定状态，并通过实验验证了[3]中的分岔图。第5节提出了主要结论。
我们的结果为在低雷诺数条件下研究磁化动力学提供了一个直观的物理平台，将纳米尺度磁学的理论洞察与可扩展、可观察的宏观实验联系起来。
章节摘录
理论
该模型基于奇穆尔斯（C??murs）和采伯斯（Cēbers）[3]、[7]的工作，最初是为具有有限磁各向异性能量的纳米级铁磁颗粒开发的。
带有十字锁和中心球形磁体的3D磁球
该设计由三个部分组成：两个3D打印的半球（PLA材料，密度为
，总直径为
，填充率为95%），通过一个精密的十字形机械锁连接在一起。每个半球采用对比色（黑色和白色）打印，以突出分隔线。
两个半球的中心是一个矩形腔体，尺寸为（宽×长×高），用于容纳一个直径为、N45级别的Supermagnete球形钕磁体。
相图和实验验证
我们将球体的磁矩定义为向量，将外加磁场定义为。磁场与磁矩之间的累积角度用表示。磁矩在xy平面上的投影与x轴之间的角度用θ表示。球体的总旋转角度用表示。角度的可视化结果见图6。
在实验中，场强和场频率的选择接近不同状态之间的预测边界。
结论与讨论
这里开发的宏观平台证明了具有有限各向异性颗粒的磁化动力学的基本状态——同步旋转、进动和摆动——在实验中清晰地显现出来，并且符合各向异性-扭矩模型的预测，在广泛的参数范围内都得到了验证。理论上预测的分岔图也通过实验得到了重建。
对于在更高驱动场和频率下的未来工作，颗粒的运动轨迹会偏离预测值。
CRediT作者贡献声明
罗伯茨·特雷兹（Roberts Treize）：撰写——原始草稿、可视化、软件开发、方法论、实验研究、数据分析、数据整理。
扬尼斯·奇穆尔斯（Jānis C??murs）：撰写——审稿与编辑、验证、监督、资源协调、方法论、资金获取、数据分析、概念构思。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。
