Magneto-optical extinction trend inversion in ferrofluids

Abstract

Effects of pulse magnetic field on the optical transmission properties of thin ferrofluid (FF) layers were experimentally investigated. It was observed that, under an influence of an external uniform magnetic field, pulses applied to the samples surfaces in normal direction decrease the optical transmission with further returning it to its original state, even before the end of the field pulse. The dependencies of the observed effects on the magnetic pulse magnitude and the samples thickness were investigated. The experimental results are explained using FF columnar aggregates growth and lateral coalescence under influence of a magnetic field, leading to a light scattering type Rayleigh-to-Mie transition. Further evolution of this process comes to a geometrical optics scale and respective macroscopic observable opaque FF columnar aggregates emergence. These changes of optical transmission are non-monotonic during the magnetic field pulse duration with minimal value in the case of Mie scattering, which is known as a magneto-optical extinction trend inversion. The residual inversion was detected after the external magnetic field pulse falling edge. Using molecular dynamics simulation, we showed that a homogeneous external magnetic field is enough for the formation of columnar aggregates and their fusion. The results clarify the known Li theory (Li et al., J. Phys. D: Appl. Phys. 37 (2004) 3357, and Sci. Technol. Adv. Mate. 8 (2007) 448), implying an inhomogeneous field as a required prerequisite for the magneto-optical extinction trend inversion phenomenon

Features of Formation and Transformation of Fe$_{3}$O$_{4}$-Nanoparticle Clusters in a Magnetic Fluid under the Long-Term Magnetic-Field Pulse Action

“…Розрізняють два основні типи МР: високостабілізований колоїд-ний розчин монодоменних частинок з поодинокими «первинними» кластерами -класичну МР [15,16] і МР з «великими» кластерами магнетних наночастинок, які можна побачити навіть в оптичний мікроскоп і які можуть існувати без зовнішнього впливу на таку МР -структуровану МР [17].…”

“…Процес формування та трансформування внутрішньої структури в МР можна досліджувати різними фізичними методиками: мало-кутовим розсіянням нейтронів [24,25], затуханням ультразвуку [26], оптичними методами [16,19,20,27] та іншими [28]. В даній роботі для дослідження внутрішньої структури МР використовував-ся метод вимірювання оптичної екстинкції в магнетному полі [16,29,30].…”

“…В даній роботі для дослідження внутрішньої структури МР використовував-ся метод вимірювання оптичної екстинкції в магнетному полі [16,29,30].…”

“…В останньому методі після вмикання магнетного поля в тонких шарах йонних МР [29,30] та в МР, стабілізованих за допомогою су-рфактанта [16,23,31], спостерігалася інверсія напрямку оптичної екстинкції (ІНОЕ): спочатку зменшення оптичної прозорости МР одразу після ввімкнення імпульсу магнетного поля протягом пев-ного відрізку часу, а потім самовільне збільшення оптичної прозо-рости МР ще під час дії імпульсу магнетного поля.…”

“…Під дією довготривалого імпульсу магнетного поля ( імп  200 с) в тонких шарах класичної МР (товщиною h  100 мкм) спостерігалися два види ІНОЕ: основний (ІНОЕ-1), який виникає після ввімкнення магнетного поля, і залишковий (ІНОЕ-2), який виникає після вимк-нення магнетного поля [16]. Момент часу  1 , коли спостерігається ІНОЕ-1, відповідає моменту часу, коли характерний розмір D клас-терів магнетних наночастинок в перерізі, поперечному до напрям-ків магнетного поля та зондувального оптичного променя, і який змінюється під час дії магнетного поля, стає порядку довжини хви-лі оптичного випромінення.…”