Magnetism in science, business, and everyday life

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<ul><li><p>IEEE TRANSACTIONS ON MAGNETICS, VOL. MAG-20, NO. 5 , SEPTEMBER 1984 643 </p><p>MAGNETISM I N SCIENCE, BUSINESS, AND EVERYDAY L I F E </p><p>K . J . S c h m i d t - T i e d e m a n n P h i l i p s GmbH F o r s c h u n g s l a b o r a t o r i u m H a m b u r g </p><p>M r . C h a i r m a n , L a d i e s a n d G e n t l e m e n , </p><p>I am v e r y g r a t e f u l f o r h a v i n g b e e n i n v i t e d t o g i v e a n a d d r e s s t o s u c h a n i m p o r t a n t c o n - f e r e n c e a s t h e INTERMAG. M a g n e t i s m h a s p r o v e d t o be a b a s i c c o n s t i t u e n t o f o u r w o r l d . I n my t a l k , I s h a l l t o u c h u p o n some o f i t s m a n i f e s - t a t i o n s i n s c i e n c e , i n i n d u s t r i a l a p p l i c a t i o n , and i n e v e r y d a y l i f e . </p><p>1. S c i e n c e o f M a g n e t i s m </p><p>T h e a s t r o n o m e r F r i t z Z w i c k y (1898-1974) was once engaged i n a c o n v e r s a t i o n w i th a f u n d a - m e n t a l i s t m i n i s t e r r e g a r d i n g t h e o r i g i n o f t h e u n i v e r s e . T h e m i n i s t ' e r s a i d t h a t t h e u n i v e r s e began when God s a i d , ' L e t t h e r e b e l i g h t ' . Z w i c k y , w i t h a t h o u g h t f u l e x p r e s s i o n , r e p l i e d t h a t h e c o u l d ' b u y ' t h i s e x p l a n a t i o n o n l y i f G o d h a d s a i d ' L e t t h e r e b e l i g h t a n d a mag- n e t i c f i e l d ' [I 1 . </p><p>T o - d a y , t h e a c t o f c r e a t i o n s t i l l f i n d s c o n t i n u o u s s c i e n t i f i c i n t e r e s t b e c a u s e i t m i g h t h a v e b e e n t h e o n l y s o u r c e o f m a g n e t i c m o n o p o l e s . N o t w i t h s t a n d i n g m o d e r n p h y s i c s , t h e e a r l i e s t r e c o r d e d d i s c u s s i o n [2] o f m a g n e t i c monopo les i s c o n t a i n e d i n a l e t t e r by P e t r u s P e r e g r i n u s d e M a r i c o u r t , a f r e n c h m i l i t a r y e n g i n e e r , w h i c h h e w r o t e i n 1269 AD f r o m t h e b a t t l e f i e l d d u r i n g a s i e g e o f a r e b e l l i o u s I t a l i a n p r i n c i p a l i t y . He i n t e n d e d t o s e t f o r t h t h e p r i n c i p l e s o f a m a g n e t i c p e r p e t u a l m o t i o n m a c h i n e f o r t h e b e n e f i t o f p o t e n t i a l i n v e s - t o r s . T h i s i n n o v a t i o n , as we a r e a l l a w a r e o f , h a s n o t y e t b e e n r e a l i z e d . </p><p>Many t h e o r e t i c a l s p e c u l a t i o n s a n d i n v e s t i - g a t i o n s h a v e c u l m i n a t e d f o r t h e moment, a t l e a s t , i n t h e f i n d i n g o f P o l y a k o v a n d t ' H o o f t i n 1974 t h a t m a g n e t i c . m o n o p o l e s a r e u n i v e r - s a l l y r e q u i r e d b y a l a r g e c l a s s o f e l e m e n t a r y p a r t i c l e t h e o r i e s t h a t f i n d e m p l o y m e n t i n t h e s y n t h e s i s o f e l e c t r o w e a k a n d s t r o n g i n t e r a c - t i o n , t h e s o - c a l l e d G r a n d U n i f i c a t i o n T h e o - r i e s . </p><p>T h e s e m o n o p o l e s a r e e n o r m o u s l y m a s s i v e , o n e h a s t h e mass o f as many as 1 O I 6 p r o t o n s , a n d t h e y c o u l d o n l y b e e n p r o d u c e d i n t h e f i r s t i n s t a n t o f 1,h"' s e c o n d s a f t e r t h e c r e a - t i o n o f t h e u n i v e r s e i n t h e B i g Bang. The b i g q u e s t i o n i s : Where a r e t h e y now? </p><p>A t 1:52 PST F e b r u a r y 14, 1982, B l a s C a b r e r a o f S t a n f o r d U n i v e r s i t y r e c o r d e d a n e v e n t w h o s e c h a r a c t e r i s t i c s w e r e c o n s i s t e n t w i th t h e p a s - s a g e o f a p a r t i c l e w i t h one u n i t o f m a g n e t i c c h a r g e . No s e c o n d e v e n t h a s b e e n s e e n w i t h t h i s or a n y o t h e r e x p e r i m e n t a l d e v i c e . Now t h e r a c e i s s t i l l g o i n g on, m a i n l y i n t h r e e d i r e c - t i o n s : b u i l d i n g m o r e s e n s i t i v e d e t e c t o r s , l o o k i n g f o r i n d i r e c t e f f e c t s c a u s e d by mono- p o l e s ( e . 9 . t h e s u n s p o t c y c l e o r p r o t o n d e - c a y ) , a n d r e v i e w i n g t h e o r i e s o f t h e B i g B a n g t h a t may r e d u c e t h e n u m b e r o f c r e a t e d mono- p o l e s t o a few o r none . </p><p>It m i g h t b e c o n s i d e r e d g r o s s l y i m p r o p e r n o t t o m e n t i o n t h e o l d l o a d s t o n e i n s u c h a n a d - d r e s s t o m a g n e t . i c a l l y o r i e n t i e d s c i e n t i s t s a n d e n g i n e e r s . I want t o p l a c e t h e q u e s t i o n i n a m o d e r n s e t t i n g : What i s o u r p r e s e n t u n d e r - s t a n d i n g o f p e r m a n e n t m a g n e t i s m ? [ ? ] . Cur i - o u s l y e n o u g h we h a v e a r a t h e r g o o d i n s i g h t i n t o t h e m a g n e t i c p r o p . e r t i e s o f ' e x 0 t . i ~ ' s u b - </p><p>s t a n c e s l i k e r a r e - e a r t h c o m p o u n d s o r i n s u l a - t o r s , b u t t h e p h e n o m e n a i n ' c l a s s i c a l ' m a g n e t s l i k e i r o n , n i c k e l o r c o b a l t a r e much l e s s t r a n s p a r e n t . L o c a l i z e d s p i n m o d e l s o r i g i n a t i n g f r o m H e i s e n b e r g g i v e a g o o d q u a l i t a t i v e p i c - t u r e o f t h e t e m p e r a t u r e d e p e n d e n c e . T h e y a r e , h o w e v e r , a t v a r i a n c e w i t h t h e o b s e r v e d v a l u e s o f t h e s a t u r a t i o n m a g n e t i z a t i o n a n d t h e e x i s t - e n c e o f c o n d u c t i o n b a n d s . T h e e l e c t r o n b a n d m o d e l s g o i n g b a c k t o S t o n e r c a n n o t a c c o u n t f o r t h e s u s c e p t i b i l i t y a b o v e t h e C u r i e p o i n t a n d y i e l d much t o o h i g h C u r i e t e m p e r a t u r e s . O n l y i n r e c e n t y e a r s a new t h e o r e t i c a l c o n c e p t , t h e s p i n f l u c t u a t i o n m e c h a n i s m , h a s come up wh ich i n a way c o m b i n e s t h e d i r e c t i o n a l f l u c t u a t i o n s o f t h e s p i n v e c t o r s i n t h e H e i s e n b e r g c o n c e p t w i t h t h e t e m p e r a t u r e d e p e n d e n c e o f t h e a b s o - l u t e v a l u e o f t h e l o c a l s p i n v a l u e s a c c o r d i n g t o t h e S t o n e r m o d e l . Th is t h e o r y , u s i n g a much m o r e i n t r i c a t e m a t h e m a t i c a l a p p a r a t u s k n o w n f r o m F e y n m a n ' s f o r m u l a t i o n o f q u a n t u m m e c h a - n i c s , h a s l e d t o r e a l i s t i c v a l u e s o f t h e C u r i e t e m p e r a t u r e a n d t o a n e x p l a n a t i o n o f t h e mas- s i v e s h o r t r a n g e o r d e r o b s e r v e d a b o v e t h e C u r i e p o i n t . New n e u t r o n s c a t t e r i n g d a t a , how- e v e r , s u g g e s t t h a t t h e r e a r e n o s p i n waves a b o v e t h e C u r i e t e m p e r a t u r e i n t h e s e m a t e r i a l s ( E . P . W o h l f a r t h , p r i v a t e c o m m u n i c a t i o n ) . </p><p>I n s u m m i n g u p , o n e m i g h t s a y t h a t o n l y t h e b a s i c m e c h a n i s m s d e t e r m i n i n g t h e m a g n e t i s m o f t r a n s i t i o n m e t a l s a r e w e l l u n d e r s t o o d . T h e d e - t a i l s o f t h e t h e o r y , h o w e v e r , a r e s t i l l f u l l o f a d - h o c a s s u m p t i o n s t h a t s h o u l d b e r e d u c e d by f u r t h e r r e s e a r c h . </p><p>T h e f a c t t h a t f e r r o m a g n e t i c o r a n t i f e r r o - m a g n e t i c p r o p e r t i e s a r e d u e t o a n o r d e r e d s t a t e o f e l e c t r o n s p i n s h a s l o n g s i n c e r a i s e d t h e q u e s t i o n w h e t h e r t h i s o r d e r i n g i s compa- t i b l e w i t h o t h e r k i n d s o f o r d e r , e . g . t h e s u - p e r c o n d u c t i v e s t a t e . The p rob lem was r e v i v e d when i n a b o u t 1976 c e r t a i n t e r n a r y a n d p s e u d o - t e r n a r y R a r e E a r t h c o m p o u n d s w e r e f o u n d t o ex- h i b i t l o n g - r a n g e m a g n e t i c o r d e r b e l o w t h e i r s u p e r c o n d u c t i n g t r a n s i t i o n t e m p e r a t u r e [ 4 ] . S u p e r c o n d u c t i v i t y was o b s e r v e d t o c o e x i s t w i t h a n t i f e r r o m a g n e t i c o r d e r , b u t t o b e d e s t r o y e d b y t h e o n s e t o f f e r r o m a g n e t i c o r d e r a t a se- c o n d t r a n s i t i o n t e m p e r a t u r e c l o s e t o t h e C u r i e t e m p e r a t u r e . </p><p>I n E r R h 4 8 4 , o n e o f t h e m o s t i n t e r e s t i n g s u b s t a n c e s i n t h i s r e s p e c t , t h e s u p e r c o n d u c - t i v e t r a n s i t i o n t e m p e r a t u r e i s a b o u t 8.8 K , w h e r e a s t h e C u r i e t e m p e r a t u r e i s 0.9 K. Neu- t r o n d i f f r a c t i o n e x p e r i m e n t s e s t a b l i s h e d t h a t t h e g r o u n d s t a t e i s i n d e e d f e r r o m a g n e t i c . I n a d d i t i o n , i t r e v e a l e d t h e e x i s t e n c e o f a s i n u s o i d a l l y m o d u l a t e d m a g n e t i c s t a t e w i t h a w a v e l e n g t h o f t h e o r d e r o f 100 t h a t c o e x i s t s w i t h s u p e r c o n d u c t i v i t y i n a n a r r o w t e m p e r a t u r e i n t e r v a l a b o v e t h e l o w e r t r a n s i t i o n t e m p e r a - t u r e . M o r e o v e r , t h e s e r e g i o n s o f c o e x i s t e n c e a p p e a r t o be i n t e r s p e r s e d w i th n o r m a l f e r r o - m a g n e t i c d o m a i n s . T h e u n d e r s t a n d i n g o f t h i s c o m p l i c a t e d b e h a v i o u r i s an i n t e r e s t i n g s u b - j e c t o f o n g o i n g r e s e a r c h . </p><p>H a v i n g t a l k e d a b o u t some s c i e n t i f i c p r o b - l e m s o f m a g n e t i s m I h a d t o l e a v e o u t many i m - p o r t a n t s u b j e c t s , i n c l u d i n g t h e v e r y i n t e r - e s t i n g a m o r p h o u s m a g n e t i c m a t e r i a l s a n d t h e f a s c i n a t i n g ma n e t o - o p t i c g a r n e t s . ' I t a k e i t t h a t t h e s e wily be d e a l t w i t h i n o t h e r p a r t s </p><p>0018-9464/84/0900-643$01.0001984 IEEE </p></li><li><p>644 </p><p>o f t h i s c o n f e r e n c e . I n s t e a d , I h a v e c h o s e n e x a m p l e s f r o m w h a t y o u may c a l l t h e d o m a i n o f b a s i c r e s e a r c h . </p><p>Now, b a s i c r e s e a r c h h a s r e c e n t l y come u n d e r d e b a t e i n s c i e n c e p o l i c y q u a r t e r s , b e s t i l l u s - t r a t e d by a s k i n g two q u e s t i o n s : Do we s p e n d t o o m u c h m o n e y o n b a s i c r e s e a r c h ? - How c a n b a s i c r e s e a r c h j u s t i f y i t s r e l e v a n c e ? </p><p>T h e s e a r e t r i c k y q u e s t i o n s , of c o u r s e , b u t n o n e t h e l e s s I s h o u l d l i k e t o v e n t u r e a n o p i - n i o n . As t o t h e f i r s t q u e s t i o n ( t h e a m o u n t of s p o n s o r s h i p ) I f e e l t h a t e x p e n s e s f o r m a g n e - t i c s r e s e a r c h a r e i n most ca ses r a t h e r m o d e s t a s c o m p a r e d t o o t h e r f i e l d s o f s c i e n c e l i k e e l e m e n t a r y p a r t i c l e r e s e a r c h o r s p a c e e x p l o r a - t i o n , o r e v e n i n c o m p a r i s o n w i t h d e v e l o p m e n t m o n e y s p e n t o n m a g n e t i c a p p l i c a t i o n s l i k e re- c o r d i n g , p o w e r g e n e r a t i o n , n u c l e a r f u s i o n , t r a i n s u s p e n s i o n , s e n s i n g a n d m e a s u r i n g e q u i p - m e n t , a n d so f o r t h . </p><p>As t o t h e s e c o n d q u e s t i o n ( r e l e v a n c e ) a d e - t a i l e d d i s c u s s i o n seems t o b e r a t h e r f u t i l e b e c a u s e n o n e o f u s , b e h e s c i e n t i s t , e n g i n e e r , m a n a g e r , o r a d m i n i s t r a t o r , c a n c la im t o h a v e t h e a m o u n t o f i m a g i n a t i o n n e c e s s a r y t o f o r e s e e p o s s i b l e t e c h n i c a l a p p l i c a t i o n s . And n e i t h e r d o e s h e b e c o m e more e n l i g h t e n e d by r e q u e s t i n g r e g u l a r p r o g r e s s r e p o r t s . I t j u s t d o e s n ' t h e l p t o d i g o u t a p l a n t e v e r y m o n t h t o l o o k w h e t h e r t h e r o o t s h a v e g r o w n . </p><p>I s e e s o m e r e s p e c t e d c o l l e a g u e s o f m i n e s i t t i n g h e r e l o o k i n g a t me a s i f t o s a y : You c a n n o t b e s e r i o u s ! As a n i n d u s t r i a l m a n a g e r , y o u s h o u l d k n o w b e t t e r ! We c a n n o t a b a n d o n a l l o u r r a t i o n a l c r i t e r i a ! </p><p>I t h i n k , t h e r e is o n l y o n e c r i t e r i o n t h a t s h o u l d b e f i r s t a n d f o r e m o s t : E x c e l l e n c e ! Basic r e s e a r c h m u s t n e v e r b e c o m e a h i d e s p o t f o r m e d i o c r i t y . O u r p e e r s c a n s p o t a n e x c e l - l e n t p r o g r a m w h e n i t i s p r o p o s e d a n d c a r r i e d o u t . Also a m o r e a p p l i c a t i o n - o r i e n t e d s o c i e t y l i k e I E E E h a s r e c o g n i z e d e x c e l l e n t p i e c e s o f r e s e a r c h , a n d h a s b e s t o w e d...</p></li></ul>

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