Journal of Experimental and Theoretical PhysicsJournal of Experimental and Theoretical Physics0044-45103034-641XRussian Academy of Science10.31857/S0044451023120167Magnetic Interparticle Interactions and Superparamagnetic Blocking of Powder Systems of Biogenic Ferrihydrite NanoparticlesМагнитные межчастичные взаимодействия и суперпарамагнитная блокировка порошковых систем наночастиц биогенного ферригидритаKrasikovA. A.КрасиковА. А. krasikov_a_a_noemail@ras.ruKnyazevYu. V.КнязевЮ. В. knyazev_yu_v_noemail@ras.ruBalaevD. AБалаевД. А balaev_d_a_noemail@ras.ruStolyarS. V.СтолярС. В. stolyar_s_v_noemail@ras.ruLadyginaV. P.ЛадыгинаВ. П. ladygina_v_p_noemail@ras.ruBalaevA. D.БалаевА. Д. balaev_a_d_noemail@ras.ruIskhakovR. S.ИсхаковР. С. iskhakov_r_s_noemail@ras.ruИнститут физики им. Л. В. Киренского ФИЦ КНЦ Сибирского отделения Российской академии наукKirensky Institute of Physics, Siberian Branch, Russian Academy of SciencesИнститут физики им. Л. В. Киренского ФИЦ КНЦ Сибирского отделения Российской академии наукKirensky Institute of Physics, Siberian Branch, Russian Academy of SciencesИнститут физики им. Л. В. Киренского ФИЦ КНЦ Сибирского отделения Российской академии наукKirensky Institute of Physics, Siberian Branch, Russian Academy of SciencesИнститут физики им. Л. В. Киренского ФИЦ КНЦ Сибирского отделения Российской академии наук;ФИЦ КНЦ Сибирского отделения Российской академии наукKirensky Institute of Physics, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences; Federal Research Center “Krasnoyarsk Science Center of the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences”ФИЦ КНЦ Сибирского отделения Российской академии наукFederal Research Center “Krasnoyarsk Science Center of the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences”Институт физики им. Л. В. Киренского ФИЦ КНЦ Сибирского отделения Российской академии наукKirensky Institute of Physics, Siberian Branch, Russian Academy of SciencesИнститут физики им. Л. В. Киренского ФИЦ КНЦ Сибирского отделения Российской академии наукKirensky Institute of Physics, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences01122023164610261038

The magnetic-field dependence of the superparamagnetic-blocking temperature TB of systems of antiferromagnetically ordered ferrihydrite nanoparticles has been investigated and analyzed. We studied two powder systems of nanoparticles: particles of “biogenic” ferrihydrite (with an average size of 2.7 nm), released as a result of vital functions of bacteria and coated with a thin organic shell, and particles of biogenic ferrihydrite subjected to low-temperature annealing, which cause an increase in the average particle size (to 3.8 nm) and burning out of the organic shell. The character of the temperature dependences of magnetization, measured after cooling in a weak field, as well as the shape of the obtained dependences TB(H), demonstrate peculiar features, indicating the influence of magnetic interparticle interactions. A detailed analysis of the dependences TB(H) within the random magnetic anisotropy model made it possible to estimate quantitatively the intensity of magnetic particle–particle interactions and determine the magnetic anisotropy constants of individual ferrihydrite particles.

Изучена и проанализирована магнитополевая зависимость температуры суперпарамагнитной блокировки TB систем антиферромагнитно упорядоченных наночастиц ферригидрита. Исследованы две порошковые системы наночастиц - «биогенный» ферригидрит, выделенный в результате жизнедеятельности бактерий, на поверхности частиц (средний размер 2.7 нм) которого присутствует тонкая органическая оболочка, а также биогенный ферригидрит, прошедший низкотемпературный отжиг, в результате которого увеличился средний размер частиц (3.8 нм) и «выгорела» органическая оболочка. Характер температурных зависимостей намагниченности, измеренных после охлаждения в малом поле, а также вид полученных зависимостей TB(H) демонстрируют специфические черты, указывающие на влияние магнитных межчастичных взаимодействий. Детальный анализ зависимостей TB(H) в рамках модели случайной магнитной анизотропии позволил получить количественные оценки интенсивности магнитных межчастичных взаимодействий и определить константы магнитной анизотропии индивидуальных частиц ферригидрита.

S. Mørup, M. F. Hansen, and C. Frandsen, Beilstein J. Nanotechnol. 1, 182 (2010).D. Caruntu, G. Caruntu, and Ch. J. O'Connor, J. Phys. D: Appl. Phys. 40, 5801 (2007).M. Knobel, W. C. Nunes, H. Winnischofer, T. C. R. Rocha, L. M. Socolovsky, C. L. Mayorga, and D. Zanchet, J. of Non-Crystalline Solids 353, 743 (2007).M. Knobel, W. C. Nunes, L. M. Socolovsky, E. De Biasi, J. M. Vargas, and J. C. Denardin, J. of Nanoscience and Nanotechnology 8, 2836 (2008).A. M. Pereira, C. Pereira, A. S. Silva, D. S. Schmool, C. Freire, J.-M. Gren?che, and J. P. Ara?jo, J. Appl. Phys. 109, 114319 (2011).D. A. Balaev, S. V. Semenov, A. A. Dubrovskiy, S. S. Yakushkin, V. L. Kirillov, O. N. Martyanov, J. Magn. Magn. Mater. 440, 199 (2017).C. A. M. Vieira, R. Cabreira Gomes, F. G. Silva, A. L. Dias, R. Aquino, A. F. C. Campos, and J. Depeyrot, J. Phys.: Condens. Matter. 31, 17580 (2019).J. M. Vargas, W. C. Nunes, L. M. Socolovsky, M. Кnobel, and D. Zanchet, Phys. Rev. B 72, 184428 (2005).K. Nadeem, H. Krenn, T. Traussnig, R. W?rschum, D. V. Szabø, and I. Letofsky-Papst, J. Magn. Magn. Mater. 323, 1998 (2011).S. V. Komogortsev, V. A. Fel'k, and O. A. Li, J. Magn. Magn. Mater. 473, 410 (2011).L. L. Afremov, S. V. Anisimov, and I. G. Iliushin, Chinese J. of Phys. 70, 324 (2021).С. В. Комогорцев, Р. С. Исхаков, В. А. Фельк, ЖЭТФ 5, 886 (2019).S. Mørup, D. E. Madsen, C. Fradsen, C. R. H. Bahl, and M. F. Hansen, J. Phys.: Condens. Matter 19, 213202 (2007).Ю. Л. Райхер, В. И. Степанов, ЖЭТФ 134, 514 (2008).L. N'eel, C. R. Acad. Sci. Paris 253, 203 (1961).A. Millan, A. Urtizberea, N. J. O. Silva, F. Palacio, V. S. Amaral, E. Snoeck, and V. Serin, J. Magn. Magn. Mater. 312, L5 (2007).P. Dutta, S. Pal, M. S. Seehra, N. Shah, G. P. Hu man, J. Appl. Phys. 105, 07B501 (2009).V. L. Kirillov, D. A. Balaev, S. V. Semenov, K. A. Shaikhutdinov, and O. N. Martyanov, Mater. Chem. Phys. 145, 75 (2014).V. L. Kirillov, S. S. Yakushkin, D. A. Balaev, A. A. Dubrovskiy, S. V. Semenov, Yu. V. Knyazev, O. A. Bayukov, D. A. Velikanov, D. A. Yatsenko, and O. N. Martyanov, Mater. Chem. Phys. 225, 292 (2019).C. Gilles, P. Bonville, K. К. W. Wong, and S. Mann, Eur. Phys. J. B 17, 417 (2014).C. Gilles, P. Bonville, H. Rakoto, J. M. Broto, K. К. W. Wong, and S. Mann, J. Magn. Magn. Mater. 241, 430 (2002).A. Punnoose, T. Phanthavady, M. Seehra, N. Shah, and G. Hu man, Phys. Rev. B 69, 054425 (2004).N. J. O. Silva, V. S. Amaral, and L. D. Carlos, Phys. Rev. B 71, 184408 (2005).Д. А. Балаев, А. А. Дубровский, А. А. Красиков, С. В. Столяр, Р. С. Исхаков, В. П. Ладыгина, Е. Д. Хилажева, Письма ЖЭТФ 98, 160 (2013).Д. А. Балаев, А. А. Красиков, А. А. Дубровский, С. В. Семенов, О. А. Баюков, С. В. Столяр, Р. С. Исхаков, В. П. Ладыгина, Л. А. Ищенко, ЖЭТФ 146, 546 (2014).D. A. Balaev, A. A. Кrasikov, A. A. Dubrovskiy, S. I. Popkov, S. V. Stolyar, O. A. Bayukov, R. S. Iskhakov, V. P. Ladygina, and R. N. Yaroslavtsev, J. Magn. Magn. Mater. 410, 71 (2016).С. В. Столяр, Р. Н. Ярославцев, Р. С. Исхаков, О. А. Баюков, Д. А. Балаев, А. А. Дубровский, А. А. Красиков, В. П. Ладыгина, А. М. Воротынов, М. Н. Волочаев, ФТТ 59, 538 (2017).S. V. Stolyar, D. A. Balaev, A. A. Krasikov, A. A. Dubrovskiy, R. N. Yaroslavtsev, O. A. Bayukov, M. N. Volochaev, and R. S. Iskhakov, J. Supercond. Nov. Magn. 31, 1133 (2018).Yu. V. Knyazev, D. A. Balaev, S. V. Stolyar, O.A.Bayukov, R. N. Yaroslavtsev, V. P. Ladygina, D. A. Velikanov, and R. S. Iskhakov, J. Alloys Compd. 851, 156753 (2021).Yu. V. Knyazev, D. A. Balaev, R. N. Yaroslavtsev, A. A. Krasikov, D. A. Velikanov, Yu. L. Mikhlin, M.N.Volochaev, O. A. Bayukov, S. V. Stolyar, and R. S. Iskhakov, Adv. Nano Res. 12, 605 (2022).Д. А. Балаев, А. А. Красиков, С. В. Столяр, Р.С.Исхаков, В. П. Ладыгина, Р. Н. Ярославцев, О. А. Баюков, А. М. Воротынов, М. Н. Волочаев, А. А. Дубровский, ФТТ 58, 1724 (2016).L. Gutivrrez, V. Barrøn, M. Andr'es-Verg'es, C. J. Serna, S. Veintemillas-Verdaguer, M. P.Morales, and F. J. L?zaro, J. Geophys. Res. Solid Earth 121, 4118 (2016).С. В. Столяр, О. А. Баюков, В. П. Ладыгина, Р.С.Исхаков, Л. А. Ищенко, В. Ю. Яковчук, К. Г.Добрецов, А. И. Поздняков, О. Е. Пиксина, ФТТ 53, 97 (2011).B. Vallina, J. D. Rodriguez-Blanco, A. P. Brown, L.G. Benning, and J. A. Blanco, J. Nanopart. Res. 16, 2322 (2014).E. L. Duarte, R. Itri, E. Lima Jr, M. S. Baptista, T. S.Berquø, and G. F. Goya, Nanotechnology 17, 5549 (2006).T. S. Berquø, J. J. Erbs, A. Lindquist, R. L. Penn, and S. K. Banerjee, J. Phys.: Condens. Matter 21, 176005 (2009).Yu. V. Knyazev, D. A. Balaev, S. V. Stolyar, A.A.Кrasikov, O. A. Bayukov, M. N. Volochaev, R.N.Yaroslavtsev, V. P. Ladygina, D. A. Velikanov, and R. S. Iskhakov, J. Alloys Compd. 889, 161623 (2021).D. A. Balaev, S. V. Stolyar, Yu. V. Knyazev, R.N. Yaroslavtsev, A. I. Pankrats, A. M. Vorotynov, A. A. Krasikov, D. A. Velikanov, O. A. Bayukov, V.P. Ladygina, and R. S. Iskhakov, Results Phys. 35, 105340 (2022).Yu. V. Knyazev, D. A. Balaev, S. A. Skorobogatov, D. A. Velikanov, O. A. Bayukov, S. V. Stolyar, R.N.Yaroslavtsev, and R. S. Iskhakov, Phys. Rev. B 107, 115413 (2023).A. A. Krasikov, Yu. V. Knyazev, D.A.Balaev, D.A.Velikanov, S. V. Stolyar, Yu. L. Mikhlin, R.N.Yaroslavtsev, and R. S. Iskhakov, Physica B 660, 414901 (2023).Д. А. Великанов, Вестник СибГАУ 2(48), 176 (2013).А. Д. Балаев, Ю. В. Бояршинов, М. М. Карпенко, Б. П. Хрусталев, ПТЭ 3, 167 (1985).J. Zhao, F. E. Huggins, Z. Feng, and G. P. Huffman, Phys. Rev. B 54, 3404 (1996).S. V. Stolyar, D. A. Balaev, V. P. Ladygina, A.A.Dubrovskiy, A. A. Krasikov, S. I. Popkov, O.A. Bayukov, Yu. V. Knyazev, R. N. Yaroslavtsev, M. N. Volochaev, R. S. Iskhakov, K.G.Dobretsov, E.V.Morozov, O. V. Falaleev, E. V. Inzhevatkin, O.A.Кolenchukova, and I. A. Chizhova, J. Supercond. Nov. Magn. 31, 2297 (2018).J. Fock, M. F. Hansen, C. Frandsen, and S. Mørup, J. Magn. Magn. Mater. 445, 11 (2018).E. M. Chudnovsky, WM. Saslow, and R. A. Scrota, Phys. Rev. B 33, 251 (1986).J. C. Denardin, A. L. Brandl, M. Knobel, P. Panissod, A. B. Pakhomov, H. Liu, and X. X. Zhang, Phys. Rev. B 65, 064422 (2002).Д. А. Балаев, С. И. Попков, А. А. Красиков, А.Д.Балаев, А. А. Дубровский, С. В. Столяр, Р.Н.Ярославцев, В. П. Ладыгина, Р. С. Исхаков, ФТТ 59, 1920 (2017).А. А. Красиков, Д. А. Балаев, ЖЭТФ 163, 115 (2023).A. Aharoni, J. Appl. Phys. 61, 3302 (1987).F. Bødker, S. Mørup, and S. Linderoth, Phys. Rev. Lett. 72, 282 (1994).J. Mohapatra, M. Xing, J. Elkins, J. Beatty, and J. Ping Liu, J. Phys. D: Appl. Phys. 53, 504004 (2020).D. A. Balaev, I. S. Poperechny, A. A. Krasikov, S. V. Semenov, S. I. Popkov, Y. V. Knyazev, V. L.Кirillov, S. S. Yakushkin, O. N. Martyanov, and Yu.L.Raikher, J. Phys. D: Appl. Phys. 54, 275003 (2021).R. D. Zysler, M. Vasquez Mansilla, D. Fiorani, Eur. Phys. J. B 41, 171 (2004).M. P. Proenca, C. T. Sousa, A. M. Pereira, P.B.Tavares, J. Ventura, M. Vazquez, and J. P.Araujo, Phys. Chem. Chem. Phys. 13, 9561 (2011).X. Batlle and A. Labarta, J. Phys. D: Appl. Phys. 35, R15 (2002).C.-R. Lin, R.-K.Chiang, J.-S.Wang, and T.-W. Sung, J. Appl. Phys. 99, 08N710 (2006).Ю. В. Князев, Д. А. Балаев, В. Л. Кириллов, О.А. Баюков, О. Н. Мартьянов, Письма в ЖЭТФ 108, 558 (2018).