共析碳鋼鐵素體相對質量（Nat.Nano鐵性體微觀相互作用與宏觀性能之間的關係）

2023-10-07 01:33:06

▲第一作者：Jannis Lehmann, Amadé Bortis；通訊作者：Jannis Lehmann, Amadé Bortis, Manfred Fiebig ；

通訊單位：蘇黎世聯邦理工學院；DOI：10.1038/s41565-020-0763-9

材料中以磁或電順序自發形成狀態的驅動力對於基礎研究和設備技術至關重要。磁疇的形成是鐵性體功能特性的關鍵。迄今為止，鐵磁體是技術上最為相關的鐵性體，其疇的形成主要是靜磁能最小化的結果。由於目前先進的存儲器和自旋電子技術的出現，諸如反鐵磁性和鐵渦性之類的磁有序補償結構正在引起關注，其淨磁化強度為零，因此磁疇的形成不再是消磁的結果。雖然人們對其了解程度較低，但同等重要的基本因素卻應運而生。儘管熱力學可以對疇的形成做出一般的宏觀預測，但未能揭示這種形成的潛在微觀機制。因此，微觀相互作用和宏觀物理性質之間的聯繫仍不清楚。諸如應變分布、磁彈性相互作用或退火協議之類的外部效應與固有效應之間相互競爭，使得後者與前者的分離具有挑戰性。因此，為了識別和控制內在耦合機制，需要一種具有可調諧相互競爭微觀作用的磁補償系統，在外在作用中佔具主導地位。

1. 本文通過構建平面納米磁鐵的人工晶體，實現了內部參數的分離，這些人工晶體由定義明確、可調諧和相互競爭的磁性作用耦合而成。

2. 作者揭示了磁有序補償結構的微觀相互作用以及其物理性質之間的基本內在聯繫。實驗和模擬揭示了如何利用競爭性相互作用來控制鐵性體特徵，如疇的大小和形態、疇壁的拓撲性質及其熱遷移率。

▲圖1. 具有零淨磁化和兩種競爭微觀相互作用的鐵性體晶體模型

要點： 作者利用由平行和正交的納米磁體對組成環形方陣，每個磁鐵沿長軸攜帶一個平面內磁矩。由於磁偶極耦合的各向異性，這種排列方式促進了正交和平行最近鄰之間的兩個相互作用。這兩種相互作用可被視為典型的基於磁偶極子的模擬物，以反對稱和對稱交換相互作用為基礎，決定材料中的磁有序結構。

▲圖2. 短程和長程序之間的作用相圖

要點：作者採用了平衡蒙特卡洛模擬方法，模擬了退火過程，從高溫開始，逐漸降低溫度到有序溫度以下。其中，所有三個路徑都導致了相同的遠程序基態，因此可以得出系統的宏觀物理特性不受對稱性變化的影響，而僅受兩個微觀耦合參數相互作用的影響。

▲圖3. 短程序和疇形成之間的相互關係

要點：作者採用了動力學蒙特卡洛方法模擬淬火溫度，揭示了短程序在疇的形成過程中的影響，值得注意的是，模擬和測量所得的有關大小形態的疇結構結果一致。

▲圖4. 微觀相互作用決定的宏觀物理特性

要點：作者使用動力學蒙特卡洛方法的多疇配置，進一步預測了微觀耦合強度與宏觀鐵性體性質之間的關係，表明磁電荷密度對疇壁遷移率以及相關的自旋-自旋-自相關時間均有影響。

原文連結：https://www.nature.com/articles/s41565-020-0763-9