[論文レビュー] Magnetic Glass formed by kinetic arrest of first order phase transitions

P. Chaddah, A. Banerjee|arXiv (Cornell University)|Apr 19, 2010

Metallic Glasses and Amorphous Alloys参考文献 1被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、磁気的相転移の力学的停止によって磁気ガラスが形成されることを提案している。急速に冷却される際、外部磁場下で潜熱の放出が妨げられ、長距離磁気秩序および構造的秩序を有する準安定なガラス状状態に系が閉じ込められる。主な貢献は、磁場がガラス転移温度（Tg）を調整可能であり、CHUFプロトコル（不均一な磁場下での冷却・加熱）により、ガラス形成と脱ガラス化を逆転可能に可能にした点であり、磁化および密度における再入的転移を明らかにした。

ABSTRACT

Metallic glasses are formed by splat-cooling; this ensures that atomic motions are arrested before the latent heat of solidification can be extracted. Glass is defined as a higher disorder metastable state with arrested kinetics. Arrested kinetics is a defining property of a glass, rather than structural disorder as, e.g., in amorphous silicon [1]. `Magnetic glasses' identified recently possess structural as well as magnetic long-range order, but show relaxation and specific heat as for a structural glass [1]. The values of Tc and Tg in these materials are easily varied by varying the magnetic field H, allowing one to go from metallic glass to glass former like scenario.

研究の動機と目的

• 一次相転移の力学的停止によって磁気ガラスが形成されるプロセスを調査すること。
• 磁場がガラス転移温度（Tg）をどのように調整可能にし、準安定ガラス状態を安定化できるかを検討すること。
• 長距離磁気的および構造的秩序を有するにもかかわらず、ガラス状の動的挙動（緩和、比熱）を示す磁気ガラスの性質を明らかにすること。
• 冷却と加熱を異なる磁場で行うCHUF（冷却・加熱を不均一な磁場で行う）プロトコルを確立し、逆転可能なガラス形成と脱ガラス化を可能にすること。
• 磁気系におけるガラス形成の物理が、構造的ガラスの理解にどのように寄与できるかを検証すること。

提案手法

• 一次相転移の自由エネルギーf(T, S)をLandau理論を用いてモデル化し、Sを秩序パラメータとして、障壁fBで分離された2つの極小値を示す。
• 磁場Ho下でゆっくり冷却することで、緩和時間が天文学的になるTgで力学的停止が起こり、ガラス状態が形成される。
• 異なる磁場H1で加熱することで脱ガラス化が誘発され、Tg < T* となることで障壁fBが消滅し、結晶的再配列が可能になる。
• CHUFプロトコル（Ho下での冷却、H1下での加熱）を適用し、磁化および密度における再入的転移を観測する。
• 磁化および比熱測定を用いて、変化するHおよびT条件下でのマンガン酸化物試料におけるガラス状の挙動を確認する。
• 伝導電子が熱輸送に果たす役割を分析し、磁気的潜熱との結合がガラス形成に与える影響を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 一次相転移が力学的停止を経て、長距離秩序を有する磁気ガラスを形成できるか？
• RQ2 磁場Hの調整がガラス転移温度Tgをどのように変化させ、逆転可能なガラス形成を可能にするか？
• RQ3 潜熱および比熱が磁気ガラス形成に果たす役割は何か？構造的ガラスとはどのように異なるか？
• RQ4 CHUFプロトコル（不均一な磁場下での冷却・加熱）を用いることで、磁気ガラスにおける脱ガラス化を誘発および逆転可能にできるか？
• RQ5 磁気秩序と伝導電子の結合が、磁気ガラス形成のしやすさに影響を与えるか？

主な発見

• 一次相転移が磁場下でゆっくり冷却されることで力学的停止が起こり、潜熱の放出が阻止され、準安定状態に閉じ込められることで磁気ガラスが形成される。
• CHUFプロトコルにより、冷却時（Ho）と加熱時（H1）の異なる磁場を用いることで、逆転可能なガラス形成と脱ガラス化が可能となり、H1下でTg < T* となることで結晶的回復が可能になる。
• CHUFプロトコルに従い、磁気ガラスを加熱することで、磁化および密度における再入的転移が観測され、ガラス状態の準安定性が確認された。
• 長距離磁気的および構造的秩序を有するにもかかわらず、ガラス状の緩和および比熱挙動を示すガラス状態が確認された。
• Tgの磁場依存性により、金属的ガラスとガラス形成体の状態を実験的に制御可能となり、ガラス形成の制御が可能になった。
• 磁気的潜熱と伝導電子の結合がガラス形成に影響を与える可能性があることが示唆され、構造的ガラス物理学の新たな探求手段が得られた。