[論文レビュー] Kinetic arrest, and ubiquity of interrupted 1st order magnetic transitions

P. Chaddah|arXiv (Cornell University)|Oct 13, 2014

Magnetic and transport properties of perovskites and related materials参考文献 2被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、絶対零度まで競合する磁気相が共存する1次相転移において、物質の相共存が内在的性質によるものではなく、ガラス状のダイナミクスに起因する動的凍結（kinetic arrest）に起因することを提唱する。CHUFプロトコルを用いて、このような凍結された相転移がさまざまな物質に広く見られ、構造的ガラス形成と類似しており、低温で長距離秩序相が持続するのは熱力学的安定性ではなく、動的捕獲（kinetic trapping）によるものであると示している。

ABSTRACT

Phase transitions are caused by varying temperature, or pressure, or magnetic field. The observation of 1st order magneto-structural transitions has created application possibilities based on magnetoresistance, magnetocaloric effect, magnetic shape memory effect, and magneto-dielectric effect. Magnetic field induced transitions, and phase coexistence of competing magnetic phases down to the lowest temperature, gained prominence over a decade ago with theoretical models suggesting that the ground state is not homogeneous. Researchers at Indore pushed an alternative view that this phase coexistence could be due to glasslike kinetic arrest of a disorder-broadened first-order magnetic transition between two states with long-range magnetic order, resulting in phase coexistence down to the lowest temperatures. The CHUF (cooling and heating in unequal field) protocol created at Indore allows the observation of devitrification, followed by melting. I show examples of measurements establishing kinetic arrest in various materials, emphasizing that glasslike arrest of 1st order magnetic transitions may be as ubiquitous as glass formation following the arrest of 1st order structural transitions.

研究の動機と目的

• 低温での磁気材料における相共存が、真の基底状態の degeneracy に起因するという一般的な見解に挑戦すること。
• 1次相転移における動的凍結が、絶対零度まで相共存を生じさせられることを示すこと。
• 冷却・加熱を不均一な磁場で行うCHUF（cooling and heating in unequal field）プロトコルを、磁気系における脱ガラス化および融解を探索するための手法として確立すること。
• 1次相転移のガラス状凍結が、構造的相転移におけるガラス形成と同程度に一般的であることを主張すること。
• 低温における相挙動が動的効果によって支配されることを、複数の物質で実験的証拠を提示すること。

提案手法

• CHUFプロトコルの適用：高い磁場で冷却し、その後低い磁場で加熱することで、熱的ヒステリシスおよび記憶効果を調査する。
• 磁場と温度を変化させたサイクルにおける磁化および比熱の測定により、動的凍結の兆候を検出する。
• 熱的ヒステリシスループの解析により、不逆性および記憶効果を評価し、動的捕獲の兆候を特定する。
• 磁場冷却とゼロ磁場冷却プロトコルを用いて、熱力学的応答と動的応答を比較する。
• 1次相転移に不純物による幅の広がりを加えた理論モデルと実験データを比較する。
• 動的凍結現象の普遍性を示すために、複数の物質を体系的に調査する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 低温における磁気材料の相共存が、内在的相分離ではなく動的凍結によって説明可能であるか。
• RQ2 CHUFプロトコルが、1次相転移における脱ガラス化および融解挙動をどれほど効果的に明らかにできるか。
• RQ3 さまざまな物質において、1次相転移の動的凍結はどれほど一般的に見られるか。
• RQ4 磁気相転移における動的凍結と構造的ガラス形成の関係は何か。
• RQ5 低温で長距離秩序磁気秩序が持続するのは、熱力学的安定性ではなく動的捕獲によるものとみなせるか。

主な発見

• CHUFプロトコルにより、磁気系において脱ガラス化および融解挙動が明確に特定され、動的記憶効果が示された。
• さまざまな物質において、極低温まで相共存が観察されるのは、1次相転移の動的凍結によるものであり、熱力学的平衡状態ではない。
• 1次相転移の動的凍結が、構造的相転移におけるガラス形成と同程度に広く見られることを示した。
• 磁化曲線における熱的ヒステリシスおよび不逆性は、磁気系における動的捕獲の強力な指標である。
• 本研究は、1次相転移の不純物による幅の広がりがガラス状の凍結を引き起こし、長期間にわたる相共存を説明できることを実験的に示した。
• 結果は、低温での相共存が真の基底状態の degeneracy を示すものではなく、むしろ動的効果が支配的要因であると示唆し、従来の仮定に疑問を呈する。