北科大馬星橋課題組在磁學(xué)體系的相場(chǎng)方法研究獲得新進(jìn)展

文／本刊記者 王 郁

材料是工業(yè)的基礎(chǔ)。利用物理原理、超算技術(shù)和大數(shù)據(jù)方法對(duì)材料性質(zhì)進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬，可以預(yù)測(cè)新材料的性質(zhì)，節(jié)約實(shí)驗(yàn)資源，加快材料的開發(fā)進(jìn)程，是目前各國(guó)的研究重點(diǎn)，涉及多種前沿問(wèn)題。它對(duì)科學(xué)研究、工程設(shè)計(jì)和國(guó)防建設(shè)具有積極的作用。

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

相場(chǎng)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(chǎng)方法可用于彈性體系中。近年來(lái)，人們開始逐漸認(rèn)識(shí)到相場(chǎng)方法在材料性質(zhì)模擬方面的優(yōu)勢(shì)。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(guò)程，對(duì)研究相變過(guò)程以及計(jì)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(lái)越受到重視。

2000年，北京科技大學(xué)物理系教授、博士生導(dǎo)師馬星橋在香港攻讀博士期間開始接觸相場(chǎng)方法，計(jì)算核結(jié)構(gòu)材料鋯合金中氫化物在非均勻應(yīng)力場(chǎng)中的析出形貌。

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(qiáng)教授合作，對(duì)相場(chǎng)計(jì)算方法進(jìn)行了改進(jìn)。相場(chǎng)方法中為反映材料的對(duì)稱性及相變，自由能表達(dá)式中采用朗道多項(xiàng)式，要由實(shí)驗(yàn)結(jié)果擬合多項(xiàng)式的系數(shù)。對(duì)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(jì)算濃度。馬星橋教授指導(dǎo)博士研究生施小明，在相場(chǎng)計(jì)算方法取得新進(jìn)展.他們構(gòu)建了一種采用勢(shì)表的數(shù)字化方法，避免了原來(lái)相場(chǎng)方法需要尋找朗道多項(xiàng)式并擬合系數(shù)的做法，可以計(jì)算低至ppm級(jí)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(jì)算。

馬星橋課題組現(xiàn)在把主要精力放在了用相場(chǎng)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(chǎng)下的變化規(guī)律，與當(dāng)前廣泛采用計(jì)算磁疇演化和磁化參量的微磁學(xué)方法相比，相場(chǎng)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(jì)算磁疇的同時(shí)計(jì)算電疇及應(yīng)變，因而可以研究多場(chǎng)作用下的多鐵體系。

馬星橋曾用相場(chǎng)計(jì)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(dòng)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(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)用磁場(chǎng)可驅(qū)動(dòng)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(duì)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(chǎng)模型，該模型修正后也可計(jì)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(chǎng)方法結(jié)合，建立了一個(gè)多尺度計(jì)算模型，可得到微觀磁結(jié)構(gòu)和磁疇演化及合金在多場(chǎng)作用下的物理性質(zhì)。

他們還利用相場(chǎng)方法系統(tǒng)地研究了自旋電子學(xué)中極化電流驅(qū)動(dòng)自旋磁矩翻轉(zhuǎn)及進(jìn)動(dòng)的規(guī)律。實(shí)驗(yàn)中利用電流驅(qū)動(dòng)磁矩翻轉(zhuǎn)，可以制作磁性隨機(jī)內(nèi)存（MRAM），它斷電后仍可保存記憶。利用電流驅(qū)動(dòng)磁矩進(jìn)動(dòng)，可用直流電產(chǎn)生頻率為幾個(gè)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(jiǎn)單，靈敏度高，不需要大的磁體因而體積很小等優(yōu)點(diǎn)，有望在高靈敏通訊天線，雷達(dá)及弱磁場(chǎng)探測(cè)等方面得到應(yīng)用。

馬星橋課題組研究了不同外磁場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)、不同極化電流下自旋動(dòng)力學(xué)的模式及產(chǎn)生翻轉(zhuǎn)和穩(wěn)定進(jìn)動(dòng)的條件，計(jì)算了應(yīng)力場(chǎng)對(duì)磁矩翻轉(zhuǎn)電流的影響，并提出了一種實(shí)現(xiàn)電流驅(qū)動(dòng)四態(tài)磁存儲(chǔ)器的設(shè)計(jì)方案。他們還模擬了一種實(shí)現(xiàn)垂直表面進(jìn)動(dòng)的電流驅(qū)動(dòng)自旋振蕩器的實(shí)現(xiàn)方案，它可比面內(nèi)進(jìn)動(dòng)的振蕩器的輸出功率有很大提高。研究了應(yīng)力場(chǎng)及電壓對(duì)自旋進(jìn)動(dòng)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(duì)開發(fā)自旋納米存儲(chǔ)器和振蕩器有很好的啟發(fā)和輔助設(shè)計(jì)作用。

此外，馬星橋的課題組采用相場(chǎng)方法還研究過(guò)核電站結(jié)構(gòu)材料鋯在應(yīng)力場(chǎng)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(chǎng)作用下的生成及運(yùn)動(dòng)規(guī)律；鐵電薄膜中電疇的極化動(dòng)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(jì)算的研究，部分程序已編寫為采用GPU的并行計(jì)算程序，計(jì)算速度提高了幾十倍，并可以適用于大規(guī)模計(jì)算機(jī)計(jì)算。

目前，課題組正在進(jìn)一步開展采用相場(chǎng)方法計(jì)算磁學(xué)體系的方法學(xué)研究和軟件開發(fā)。期望將相場(chǎng)計(jì)算推廣到更多的多場(chǎng)作用下的磁學(xué)體系及多鐵材料體系的研究中；用相場(chǎng)方法對(duì)自旋體系中各種場(chǎng)對(duì)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(yùn)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(jì)。