[論文レビュー] FORC+: A method for separating reversible from irreversible behavior using first order reversal curves

P. B. Visscher|arXiv (Cornell University)|Oct 28, 2016

Magnetic Properties and Applications被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、最初の順序逆曲線（FORC）解析において、可逆的および不可逆的磁気的挙動を明確に分離する新規手法、FORC+ を提案する。この手法は、標準の不可逆的FORC分布に影響を与えることなく、可逆的成分のための別個の「飽和磁場分布」を導出する。離散的微分を用いて磁化データから可逆的寄与を分離し、混合系におけるハード軸およびエイジル軸のストナーウォルファースル粒子を明確に特定可能にする。

ABSTRACT

First Order Reversal Curves (FORCs) have been used for a number of years for the extraction of information from magnetization measurements. The results are most unambiguous for irreversible processes -- for a collection of Preisach hysterons, one gets a "FORC distribution" $ρ(H_{down},H_{up})$, the number of hysterons with given downward \& upward reversal fields. There have been many proposals for dealing with reversible behavior, usually involving inserting it somehow into the irreversible FORC distribution. Here we will try to do the opposite, to separate them into another function which we will call the (reversible) "saturation field distribution", which is identically zero for a completely irreversible system of hysterons, while the irreversible FORC distribution is identically zero for a reversible system. Thus in a system with both purely reversible and purely irreversible components, such as single-domain Stoner-Wohlfarth particles with hard or easy axis along the field, this approach cleanly separates them. For more complicated systems, as with conventional FORC distributions, it at least provides a "signature" making it possible to identify microscopic models that might give a particular pair of irreversible and reversible distributions.

研究の動機と目的

• FORC解析における可逆的および不可逆的磁気的寄与を区別するという長年の課題に取り組む。
• 標準の不可逆的FORC分布を汚染せずに、可逆的および不可逆的成分を明確に分離する手法を開発する。
• ハード軸粒子の飽和磁場を具体的に表す物理的に意味のある分布を提供する。
• 可逆的および不可逆的成分の明確なシグネチャを明らかにすることで、実験的FORCデータの背後にある微視的モデルを正確に特定可能にする。
• 従来のFORC可視化には、補間によるアーチファクトが生じ、可逆的および不可逆的効果を混同させるという限界を克服する。

提案手法

• 有限の磁場間隔 δ を用いた標準FORC方程式の離散的アナログを導出し、可視化および導出を明確にする。
• $ M_H(H_R, H) $ と呼ばれる新たな量を導入し、これは $ M(H_R, H) $ の有限差分として定義され、不可逆的系では $ H = H_R $ で消失する。
• $ M_H $ の2階微分（式 (7) で表される）を提案し、可逆的飽和磁場分布 $ \rho^{rev}(H) $ を抽出する。この分布は不可逆的系ではゼロとなる。
• 離散的プレートット法を用いて、$ \rho^{irr}(H_R, H) $ を混合偏微分 $ -\frac{1}{2} \frac{\partial^2 M}{\partial H_R \partial H} $ として計算し、可逆的寄与から明確に分離する。
• 補間アーチファクトを回避するため、直接OpenGLベースの可視化を採用し、データの離散的性質を保持し、可逆的および不可逆的信号の人工的混合を防ぐ。
• 微分抽出の前段階として、ノイズの多いデータに対して平滑化処理（例：多項式フィッティング）を適用し、物理的解釈を損なわず信号の明瞭さを向上させる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 可逆的磁気的挙動は、標準の不可逆的FORC分布を汚染せずに、FORC解析から分離可能か？
• RQ2 可逆的成分を別個の分布として表現するための数学的定式化は何か。特に、飽和磁場分布としての特定が可能か？
• RQ3 測定されたFORC実験からの磁化データのみを用いて、可逆的および不可逆的成分の分離をどのように達成できるか？
• RQ4 提案手法は、従来のFORC解析と比較して、微視的モデル同定の正確性をどの程度向上させるか？
• RQ5 商業ソフトウェアにおける補間による可視化アーチファクト、特に境界付近および $ H_R = H $ 近辺で、この手法はそれを回避できるか？

主な発見

• 完全に可逆的な系では、不可逆的FORC分布 $ \rho^{irr}(H_R, H) $ は恒等的にゼロとなる。これは、それが不可逆的プロセスにのみ感受することを確認する。
• 式 (7) で定義される可逆的飽和磁場分布 $ \rho^{rev}(H) $ は、完全に不可逆的な系では恒等的にゼロとなる。これは、それが可逆的挙動にのみ感受することを確認する。
• エイジル軸およびハード軸を有する単一磁気ドメインのストナーウォルファースル粒子系では、$ \rho^{irr} $ が不可逆的（エイジル軸）粒子を完全に記述し、$ \rho^{rev} $ が $ H_{s-} $ および $ H_{s+} $ の両方の飽和磁場分布を完全に記述する。
• この手法は、$ M_H(H_R, H) $ を用いて可逆的寄与を成功裏に分離する。ハード軸粒子では $ H_R $ に対して定数となるため、2階微分が飽和磁場でのみ非ゼロとなる。
• 直接OpenGLベースの可視化により、$ H_R = H $ 近辺および曲線の端点付近で、しばしば見かけの離散的性質を損なう補間アーチファクトを防止する。
• このアプローチにより、可逆的および不可逆的成分の明確で重複のないシグネチャを提供し、微視的モデルの明確な同定が可能になる。