馬星橋：磁學(xué)體系的相場方法研究漸入佳境

王霞

近日記者從北京科技大學(xué)獲悉，該大學(xué)物理系教授馬星橋課題組在相場方法計算方面獲得新進(jìn)展。

相場方法起源于朗道的相變理論，上世紀(jì)80年代初，哈恰圖良發(fā)展了微彈性理論，使相場方法可用于彈性體系中。

近年來，人們開始逐漸認(rèn)識到相場方法在材料性質(zhì)模擬方面的優(yōu)勢。它可以模擬非均勻體系中微觀組織或磁疇、電疇的形貌及其演化過程，對研究相變過程以及計算材料的宏觀物理性質(zhì)十分有效，并可作為構(gòu)建多尺度模型的核心，在材料研究方面正越來越受到重視。

該課題組與賓夕法尼亞州立大學(xué)陳龍慶教授及香港理工大學(xué)石三強教授合作，對相場計算方法進(jìn)行了改進(jìn)。相場方法中為反映材料的對稱性及相變，自由能表達(dá)式中采用朗道多項式，要由實驗結(jié)果擬合多項式的系數(shù)。對于有極低含量合金元素的體系很難找到合適的表達(dá)式，較難定量計算濃度。馬星橋教授指導(dǎo)博士研究生施小明，在相場計算方法取得新進(jìn)展。他們構(gòu)建了一種采用勢表的數(shù)字化方法，避免了原來相場方法需要尋找朗道多項式并擬合系數(shù)的做法，可以計算低至ppm級的濃度，達(dá)到定量水平。該方法也可推廣到鐵磁、鐵電及鐵彈體系的計算。

馬星橋課題組現(xiàn)在把主要精力放在了用相場方法研究磁學(xué)體系上。磁性材料的應(yīng)用離不開磁疇在外場下的變化規(guī)律，與當(dāng)前廣泛采用計算磁疇演化和磁化參量的微磁學(xué)方法相比，相場方法不僅可研究磁學(xué)量，而且可研究非磁學(xué)物理量的演化和它們與磁學(xué)量的相互作用，在計算磁疇的同時計算電疇及應(yīng)變，因而可以研究多場作用下的多鐵體系。

馬星橋曾用相場計算鐵磁性形狀記憶合金NiMnGa體系，研究了該合金的磁疇轉(zhuǎn)動和大應(yīng)變，討論了其鐵磁性和鐵彈性之間的耦合及超彈性和偽塑性。

2006年，實驗發(fā)現(xiàn)用磁場可驅(qū)動NiMnInCo合金發(fā)生馬氏體逆相變并伴隨熵的改變，可利用做磁制冷等。

馬星橋課題組針對這一體系，建立了伴隨結(jié)構(gòu)相變的反鐵磁體系的熱力學(xué)模型和相場模型，該模型修正后也可計算亞鐵磁結(jié)構(gòu)，他們還用第一性原理研究了磁驅(qū)相變現(xiàn)象，并將第一原理與相場方法結(jié)合，建立了一個多尺度計算模型，可得到微觀磁結(jié)構(gòu)和磁疇演化及合金在多場作用下的物理性質(zhì)。

他們還利用相場方法系統(tǒng)地研究了自旋電子學(xué)中極化電流驅(qū)動自旋磁矩翻轉(zhuǎn)及進(jìn)動的規(guī)律。實驗中利用電流驅(qū)動磁矩翻轉(zhuǎn)，可以制作磁性隨機內(nèi)存（MRAM），它斷電后仍可保存記憶。利用電流驅(qū)動磁矩進(jìn)動，可用直流電產(chǎn)生頻率為幾個G的高頻振蕩，制作納米振蕩器，這種振蕩器具有結(jié)構(gòu)簡單，靈敏度高，不需要大的磁體因而體積很小等優(yōu)點，有望在高靈敏通訊天線，雷達(dá)及弱磁場探測等方面得到應(yīng)用。

馬星橋課題組研究了不同外磁場、應(yīng)力場、不同極化電流下自旋動力學(xué)的模式及產(chǎn)生翻轉(zhuǎn)和穩(wěn)定進(jìn)動的條件，計算了應(yīng)力場對磁矩翻轉(zhuǎn)電流的影響，并提出了一種實現(xiàn)電流驅(qū)動四態(tài)磁存儲器的設(shè)計方案。他們還模擬了一種實現(xiàn)垂直表面進(jìn)動的電流驅(qū)動自旋振蕩器的實現(xiàn)方案，它可比面內(nèi)進(jìn)動的振蕩器的輸出功率有很大提高。研究了應(yīng)力場及電壓對自旋進(jìn)動的影響，討論了穩(wěn)定振蕩模式、頻率、位相和功率譜的調(diào)制方案。這對開發(fā)自旋納米存儲器和振蕩器有很好的啟發(fā)和輔助設(shè)計作用。

此外，馬星橋的課題組采用相場方法還研究過核電站結(jié)構(gòu)材料鋯在應(yīng)力場下氫化物的析出形貌；第二類超導(dǎo)體中渦旋線在電流及磁場作用下的生成及運動規(guī)律；鐵電薄膜中電疇的極化動力學(xué)、力-電效應(yīng)和電疇翻轉(zhuǎn)途徑；鐵電超晶格及復(fù)合多鐵性材料的電磁性質(zhì)。他們還開展了高效計算的研究，部分程序已編寫為采用GPU的并行計算程序，計算速度提高了幾十倍，并可以適用于大規(guī)模計算機計算。

目前，課題組正在進(jìn)一步開展采用相場方法計算磁學(xué)體系的方法學(xué)研究和軟件開發(fā)。期望將相場計算推廣到更多的多場作用下的磁學(xué)體系及多鐵材料體系的研究中；用相場方法對自旋體系中各種場對自旋的調(diào)控作用進(jìn)行系統(tǒng)化研究，并進(jìn)一步開展自旋輸運現(xiàn)象的研究，使之可用于各種自旋電子學(xué)現(xiàn)象和器件的模擬和設(shè)計。