北科大馬星橋課題組在磁學體系的相場方法研究獲得新進展

文／本刊記者 王 郁

材料是工業的基礎。利用物理原理、超算技術和大數據方法對材料性質進行計算機模擬，可以預測新材料的性質，節約實驗資源，加快材料的開發進程，是目前各國的研究重點，涉及多種前沿問題。它對科學研究、工程設計和國防建設具有積極的作用。

近日，記者從北京科技大學獲悉，該校物理系教授馬星橋課題組在相場方法計算方面獲得新進展。

相場方法起源于朗道的相變理論，上世紀80年代初，哈恰圖良發展了微彈性理論，使相場方法可用于彈性體系中。近年來，人們開始逐漸認識到相場方法在材料性質模擬方面的優勢。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十分有效，并可作為構建多尺度模型的核心，在材料研究方面正越來越受到重視。

2000年，北京科技大學物理系教授、博士生導師馬星橋在香港攻讀博士期間開始接觸相場方法，計算核結構材料鋯合金中氫化物在非均勻應力場中的析出形貌。

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

馬星橋課題組現在把主要精力放在了用相場方法研究磁學體系上。磁性材料的應用離不開磁疇在外場下的變化規律，與當前廣泛采用計算磁疇演化和磁化參量的微磁學方法相比，相場方法不僅可研究磁學量，而且可研究非磁學物理量的演化和它們與磁學量的相互作用，在計算磁疇的同時計算電疇及應變，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動和大應變，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，實驗發現用磁場可驅動NiMnInCo合金發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，建立了伴隨結構相變的反鐵磁體系的熱力學模型和相場模型，該模型修正后也可計算亞鐵磁結構，他們還用第一性原理研究了磁驅相變現象，并將第一原理與相場方法結合，建立了一個多尺度計算模型，可得到微觀磁結構和磁疇演化及合金在多場作用下的物理性質。

他們還利用相場方法系統地研究了自旋電子學中極化電流驅動自旋磁矩翻轉及進動的規律。實驗中利用電流驅動磁矩翻轉，可以制作磁性隨機內存（MRAM），它斷電后仍可保存記憶。利用電流驅動磁矩進動，可用直流電產生頻率為幾個G的高頻振蕩，制作納米振蕩器，這種振蕩器具有結構簡單，靈敏度高，不需要大的磁體因而體積很小等優點，有望在高靈敏通訊天線，雷達及弱磁場探測等方面得到應用。

馬星橋課題組研究了不同外磁場、應力場、不同極化電流下自旋動力學的模式及產生翻轉和穩定進動的條件，計算了應力場對磁矩翻轉電流的影響，并提出了一種實現電流驅動四態磁存儲器的設計方案。他們還模擬了一種實現垂直表面進動的電流驅動自旋振蕩器的實現方案，它可比面內進動的振蕩器的輸出功率有很大提高。研究了應力場及電壓對自旋進動的影響，討論了穩定振蕩模式、頻率、位相和功率譜的調制方案。這對開發自旋納米存儲器和振蕩器有很好的啟發和輔助設計作用。

此外，馬星橋的課題組采用相場方法還研究過核電站結構材料鋯在應力場下氫化物的析出形貌；第二類超導體中渦旋線在電流及磁場作用下的生成及運動規律；鐵電薄膜中電疇的極化動力學、力-電效應和電疇翻轉途徑；鐵電超晶格及復合多鐵性材料的電磁性質。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，并可以適用于大規模計算機計算。

目前，課題組正在進一步開展采用相場方法計算磁學體系的方法學研究和軟件開發。期望將相場計算推廣到更多的多場作用下的磁學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控作用進行系統化研究，并進一步開展自旋輸運現象的研究，使之可用于各種自旋電子學現象和器件的模擬和設計。