[論文レビュー] Broad 1st Order Phase Transitions: phase coexistence, unusual hysteresis and glasslike kinetic arrest

P. Chaddah|arXiv (Cornell University)|Mar 25, 2014

Magnetic and transport properties of perovskites and related materials参考文献 1被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、競合するエネルギー・ランドスケープに起因する相共存とガラス状の運動的停止が生じる不規則な物質における広範な一次相転移を記述する現象論的枠組みを提案する。冷却と加熱を異なる第二の制御変数の下で行う新規なCHUFプロトコル（冷却・加熱における変動する第二の制御変数）を用いて、広い転移範囲内で非対称なヒステリシスと停止した動的挙動が明らかになり、置換型合金や多フェロイック系のような系における相共存と非平衡力学の統一的記述が可能となる。

ABSTRACT

We discuss the phenomenology of phase transitions studied with two control variables. Such measurements have become routine with magnetic field and temperature being varied for 1st order magnetic transitions with an ease not conceivable with pressure and temperature. Similar ease may be possible with electric field as the second control variable, as in current studies on multiferroics. We develop this phenomenology for broad 1st order transitions that occur over a range of the control variable, as is common in substitutional alloys with inherent quenched disorder, including the possibility of a glasslike arrest of the transition occurring within this range of either control variable. The interrupted transition then results in the two competing phases coexisting to the lowest temperature. The new experimental protocol with acronym CHUF, where the sample is cooled and heated under different values of the second control variable, allows a detailed study of glasslike arrest of kinetics of the phase transformation. The many experimental studies on 1st order magnetic transitions in a large number of materials, that provide the cause for this phenomenology, shall be discussed subsequently.

研究の動機と目的

• 温度や磁場／電場といった二つの制御変数によって駆動される一次相転移の現象論的枠組みの構築。
• 置換型合金のような不規則系において、二つの相が広い制御パラメータ範囲にわたり共存する理由の説明。
• 系が相転移を完全に完了できない状態におけるガラス状の運動的停止のメカニズムの記述。
• 非平衡状態の転移をプローブするためのCHUF実験プロトコル（異なる第二の制御変数の下での冷却と加熱）の導入と検証。
• 磁性系や多フェロイック系を含む多様な材料における異常なヒステリシスと相共存の観測を統一的に説明すること。

提案手法

• クエンチド・ディスオーダーを考慮した二つの制御変数（例：温度と磁場）を用いた相転移の理論的モデリング。
• CHUFプロトコルの適用：第二の制御変数を一つの値で冷却し、別の値で加熱することで、非平衡力学をプローブする。
• ヒステリシスループと相共存領域の解析により、広い転移範囲内での運動的停止を特定する。
• 熱力学的および運動論的議論を用いて、停止状態を相転移プロセスのガラス状の停止と解釈する。
• 磁性および多フェロイック材料からの実験データの解釈により、現象論的モデルの妥当性を検証する。
• 統計力学および強い相関電子系の概念を組み合わせ、停止した相転移の背後にある物理的メカニズムを記述する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 二つの制御変数を有する不規則な物質における広範な一次相転移は、どのように現れるのか？
• RQ2 置換型合金において、制御パラメータの広い範囲にわたり相共存が生じる理由は何か？
• RQ3 このような系における相転移中にガラス状の運動的停止が生じるメカニズムは何か？
• RQ4 CHUFプロトコルは、相転移における非平衡力学をどのように研究可能にするのか？
• RQ5 なぜ広範な一次相転移を経る系では異常なヒステリシスループが出現するのか？

主な発見

• 競合する二つの相の共存が、広い転移範囲内での運動的停止により、最低温度まで持続する。
• CHUFプロトコルにより、異なる第二の制御変数条件における非対称な熱サイクルが観測され、ガラス状の運動的停止が明確に示された。
• 熱力学的に有利な状態にあっても、系が相転移を完全に完了できないため、異常なヒステリシスが観察される。
• 置換型合金におけるクエンチド・ディスオーダーが、鋭い転移点の欠如をもたらし、広い転移範囲を生じる。
• 磁性および多フェロイック材料からの実験データは、停止した相転移と相共存の現象論的モデルを支持する。
• 本フレームワークは、競合するエネルギーの極小点を有する系における相共存、ヒステリシス、運動的停止を統一的に記述可能である。