北科大马星桥课题组在磁学体系的相场方法研究获得新进展

文／本刊记者 王 郁

材料是工业的基础。利用物理原理、超算技术和大数据方法对材料性质进行计算机模拟，可以预测新材料的性质，节约实验资源，加快材料的开发进程，是目前各国的研究重点，涉及多种前沿问题。它对科学研究、工程设计和国防建设具有积极的作用。

近日，记者从北京科技大学获悉，该校物理系教授马星桥课题组在相场方法计算方面获得新进展。

相场方法起源于朗道的相变理论，上世纪80年代初，哈恰图良发展了微弹性理论，使相场方法可用于弹性体系中。近年来，人们开始逐渐认识到相场方法在材料性质模拟方面的优势。它可以模拟非均匀体系中微观组织或磁畴、电畴的形貌及其演化过程，对研究相变过程以及计算材料的宏观物理性质十分有效，并可作为构建多尺度模型的核心，在材料研究方面正越来越受到重视。

2000年，北京科技大学物理系教授、博士生导师马星桥在香港攻读博士期间开始接触相场方法，计算核结构材料锆合金中氢化物在非均匀应力场中的析出形貌。

该课题组与宾夕法尼亚州立大学陈龙庆教授及香港理工大学石三强教授合作，对相场计算方法进行了改进。相场方法中为反映材料的对称性及相变，自由能表达式中采用朗道多项式，要由实验结果拟合多项式的系数。对于有极低含量合金元素的体系很难找到合适的表达式，较难定量计算浓度。马星桥教授指导博士研究生施小明，在相场计算方法取得新进展.他们构建了一种采用势表的数字化方法，避免了原来相场方法需要寻找朗道多项式并拟合系数的做法，可以计算低至ppm级的浓度，达到定量水平。该方法也可推广到铁磁、铁电及铁弹体系的计算。

马星桥课题组现在把主要精力放在了用相场方法研究磁学体系上。磁性材料的应用离不开磁畴在外场下的变化规律，与当前广泛采用计算磁畴演化和磁化参量的微磁学方法相比，相场方法不仅可研究磁学量，而且可研究非磁学物理量的演化和它们与磁学量的相互作用，在计算磁畴的同时计算电畴及应变，因而可以研究多场作用下的多铁体系。

马星桥曾用相场计算铁磁性形状记忆合金NiMnGa体系，研究了该合金的磁畴转动和大应变，讨论了其铁磁性和铁弹性之间的耦合及超弹性和伪塑性。

2006年，实验发现用磁场可驱动NiMnInCo合金发生马氏体逆相变并伴随熵的改变，可利用做磁制冷等。

马星桥课题组针对这一体系，建立了伴随结构相变的反铁磁体系的热力学模型和相场模型，该模型修正后也可计算亚铁磁结构，他们还用第一性原理研究了磁驱相变现象，并将第一原理与相场方法结合，建立了一个多尺度计算模型，可得到微观磁结构和磁畴演化及合金在多场作用下的物理性质。

他们还利用相场方法系统地研究了自旋电子学中极化电流驱动自旋磁矩翻转及进动的规律。实验中利用电流驱动磁矩翻转，可以制作磁性随机内存（MRAM），它断电后仍可保存记忆。利用电流驱动磁矩进动，可用直流电产生频率为几个G的高频振荡，制作纳米振荡器，这种振荡器具有结构简单，灵敏度高，不需要大的磁体因而体积很小等优点，有望在高灵敏通讯天线，雷达及弱磁场探测等方面得到应用。

马星桥课题组研究了不同外磁场、应力场、不同极化电流下自旋动力学的模式及产生翻转和稳定进动的条件，计算了应力场对磁矩翻转电流的影响，并提出了一种实现电流驱动四态磁存储器的设计方案。他们还模拟了一种实现垂直表面进动的电流驱动自旋振荡器的实现方案，它可比面内进动的振荡器的输出功率有很大提高。研究了应力场及电压对自旋进动的影响，讨论了稳定振荡模式、频率、位相和功率谱的调制方案。这对开发自旋纳米存储器和振荡器有很好的启发和辅助设计作用。

此外，马星桥的课题组采用相场方法还研究过核电站结构材料锆在应力场下氢化物的析出形貌；第二类超导体中涡旋线在电流及磁场作用下的生成及运动规律；铁电薄膜中电畴的极化动力学、力-电效应和电畴翻转途径；铁电超晶格及复合多铁性材料的电磁性质。他们还开展了高效计算的研究，部分程序已编写为采用GPU的并行计算程序，计算速度提高了几十倍，并可以适用于大规模计算机计算。

目前，课题组正在进一步开展采用相场方法计算磁学体系的方法学研究和软件开发。期望将相场计算推广到更多的多场作用下的磁学体系及多铁材料体系的研究中；用相场方法对自旋体系中各种场对自旋的调控作用进行系统化研究，并进一步开展自旋输运现象的研究，使之可用于各种自旋电子学现象和器件的模拟和设计。