スピン

Scientific Reports volume 13、記事番号: 14282 (2023) この記事を引用

メトリクスの詳細

磁性材料を圧縮すると、その磁気特性が変化します。 我々は、単結晶および多結晶Feと共連続ナノフォーム構造の両方を使用して、bcc-Feの特殊な場合のスピン格子ダイナミクスを使用してこの効果を調べます。 我々は、圧縮の弾性段階中に、原子の最近接シェルの数が増加し、その結果として隣接するスピンのより高い交換相互作用により磁化が増加することを発見しました。 対照的に、圧縮の塑性段階では、欠陥が作成されると磁化が沈み、無秩序が増加し、通常は平均原子配位数が減少します。 粒界の形での欠陥の存在が圧縮の弾性段階での磁化の増加を妨げるため、この影響は多結晶よりも単結晶の方が顕著です。 また、その影響は室温よりもキュリー温度に近い温度でより顕著になります。 ナノフォームでは、圧縮は靭帯内の歪みよりも空隙の減少とフィラメントの曲げによって進行するため、圧縮の影響は小さく、磁化への影響は無視できます。 これらの発見は、塑性を導入することによって歪み下での磁化を調整するのに役立つことが証明されるでしょう。

バルク bcc-Fe の強磁性は、非経験的手法を使用して長い間研究されてきました1。 これらにより、空孔や格子間原子 2、3、4 などの孤立した点欠陥の局所的な影響や、低屈折率表面 5 や粒界 6、7、8、9 などの対称性の高い欠陥構造の局所的な影響を理解することもできます。 しかし、拡張欠陥、特に転位の影響や、数 nm 以上に及ぶ構造の影響は、非経験的手法の計算の範囲を超えています。 過去 10 年間で、スピン格子ダイナミクス (SLD) の方法は、格子の原子分子動力学シミュレーションとスピン系のダイナミクスの古典的な記述を組み合わせることで、微視的な理解を獲得しました 10、11、12、13。

金属の圧縮は、転位や双晶などの拡張欠陥に基づく可塑性を引き起こします。 圧縮と磁気の相互作用には、Fe の磁気特性と機械的特性を組み合わせて調べる必要があります。 このようなカップリングはずっと前に認識されていました14。 今日では、磁化と塑性が相互に影響を与える可能性があり 15、16、17、その結合を理解することが望ましい磁気特性と機械特性を設計するのに役立つことがよく知られています。 最近、Li et al.18 は密度汎関数理論計算を使用して、引張ひずみ下での Fe 格子の磁化の減少を説明しましたが、欠陥の形成と塑性は考慮せず、弾性ひずみについてのみでした。 Wang et al.19 は、スピン温度がゼロの場合のみ、つまりスピン力学の影響を無視して、インデンテーションピット周囲の局所磁性に対するナノインデンテーションの影響を研究しました。 Castro et al.20 は、分子動力学と微小磁気シミュレーションを組み合わせて、Fe の磁気特性が歪みの下でどのように変化するかを実証しました。

最近のスピン格子シミュレーション 23、24 を含め、低歪みでの磁気弾性効果に関する研究が数多くあります 21、22。 しかし、磁化と歪みの両方をナノスケールで、特に大きな歪み値で実験的に定量化することが難しいこともあり、多くの疑問が残っています。 磁化における圧力の役割を調査する実験がいくつかあります25。 圧力下の Fe は、実験、モデル、シミュレーションを使用して広範囲に研究されています 26、27、28、29、30、31、32。 bcc \(\rightarrow\) hcp 変換には体積崩壊と強磁性体から非磁性体への転移の両方が関与することが知られており 33,34、したがって磁気秩序と構造秩序を同時に処理する必要性が指摘されています 35。 別の例として、Kong et al.36 は、積層欠陥の形をした Ni 薄膜の可塑性が、周期的歪み下での磁区回復を変化させることを発見しました。 結合スピン格子ダイナミクスには、ひずみ下で核生成して進化する欠陥を含める必要があるため、マイクロ磁気シミュレーションや固定格子を使用した原子スピンダイナミクス シミュレーションには含めることができません。