Si W est nettement plus grand que kT, le moment M_T, après avoir été orienté dans une certaine direction au moyen d’un champ magnétique suffisamment intense, ne peut plus la quitter spontanément et la conserve indéfiniment en l’absence de perturbations extérieures. On a mis à profit cette propriété pour fabriquer certains types d’aimants permanents, en agglomérant avec un liant un ensemble de tels grains.

Si W est de l’ordre de grandeur de kT ou inférieur, ce qui correspond pour le fer à un diamètre inférieur à 50 Å, le moment M_T saute spontanément, sous l’influence de l’agitation thermique, d’une direction de facile aimantation à une autre, de sorte que l’équilibre thermodynamique s’établit entre toutes les orientations possibles. Il en résulte qu’un grain de moment M_T se comporte d’une manière analogue à celle d’un atome de moment μ, et l’on peut appliquer la théorie du paramagnétisme de Langevin. Les principales différences consistent en ce que M_T est plusieurs milliers de fois plus grand que μ et en ce que M_T décroît lorsque la température s’élève pour s’annuler à la température de Curie, tandis que μ est essentiellement invariable. Ce comportement a reçu le nom de superparamagnétisme.

Dans un champ magnétique H suffisamment faible pour que le rapport a = M_TH/kT soit petit devant l’unité, le moment magnétique résultant pris par un ensemble de N grains identiques orientés au hasard s’écrit

Quelques dizaines d’œrsteds suffisent généralement pour atteindre à la température de l’hélium liquide le moment résultant à saturation, égal à NM_T.

Lorsque l’anisotropie des grains est négligeable, la loi complète d’aimantation s’exprime par la formule de Langevin

En dehors des grains matériellement distincts, le superparamagnétisme apparaît aussi dans un alliage lorsque, au cours du refroidissement, une phase ferromagnétique se ségrège en petits grains magnétiques noyés dans une matrice non magnétique.

Le superparamagnétisme a reçu quelques applications : les ferrofluides sont des suspensions de ces grains dans un liquide neutre tel que le toluène ; ils sont attirés vers les régions où règne le champ magnétique le plus intense. On peut ainsi les maintenir en équilibre dans une région choisie de l’espace, malgré la pesanteur.

Il convient de remarquer qu’en chauffant des grains à aimantation permanente on les transforme toujours en grains superparamagnétiques à une certaine température θ_B, dite température de blocage, inférieure à la température de Curie θ_C : cela résulte de ce que W/kT tend vers zéro quand T tend vers θ_C. Un ensemble de N grains identiques, refroidis depuis une température supérieure à θ_B, prend à la température θ_B un moment résultant égal à en désignant respectivement par H_B et M_B les valeurs à cet instant du champ magnétique et du moment magnétique du grain.

Si l’on poursuit le refroidissement, les orientations des moments des grains restent figées, tandis que leur grandeur continue à croître. Le moment résultant M que prend l’ensemble des grains ne dépend plus des variations éventuelles du champ magnétique, pourvu que ce champ reste faible, et est donné par

en désignant par M_A le moment actuel du grain.

Le moment résultant M est parallèle et proportionnel au champ H_B, qui existait au moment où la température passait par la valeur θ_B. L’ensemble des grains possède donc une mémoire magnétique. Cette propriété a reçu d’importantes applications en géophysique pour reconstituer les valeurs que le champ magnétique terrestre a prises dans le passé.

L. N.