[论文解读] 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 5

一句话总结

本文提出了一套现象学框架，用于描述无序材料中广泛的第一阶相变，其中由于竞争的能量景观导致相共存和类玻璃动力学冻结。通过一种新颖的CHUF协议（在不同第二控制变量下进行冷却和加热），揭示了在宽广相变范围内出现的异常滞后行为和动力学冻结，为诸如置换合金和多铁材料等系统中相共存与非平衡动力学提供了统一描述。

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.

研究动机与目标

• 开发一种基于两个控制变量（如温度和磁场/电场）的第一阶相变现象学框架。
• 解释在如置换合金等无序系统中，两个相在控制参数的广阔范围内共存的原因。
• 描述在相变过程中系统无法完成转变时导致的类玻璃动力学冻结机制。
• 引入并验证CHUF实验协议（在不同第二控制变量下进行冷却和加热），以探测动力学冻结的相变行为。
• 统一描述在多种材料（包括磁性材料和多铁材料）中观察到的异常滞后行为与相共存现象。

提出的方法

• 使用两个控制变量（如温度和磁场）对相变进行理论建模，考虑固有的淬火无序效应。
• 应用CHUF协议：在某一第二控制变量值下冷却，另一值下加热，以探测非平衡动力学行为。
• 分析滞后回线和相共存区域，识别在宽广相变范围内发生的动力学冻结。
• 利用热力学和动力学论证，将冻结状态描述为相变过程的类玻璃冻结。
• 对磁性材料和多铁材料的实验数据进行解释，以验证现象学模型。
• 结合统计力学和强关联电子概念，描述冻结相变的内在物理机制。

实验结果

研究问题

• RQ1 在具有两个控制变量的无序材料中，宽广的第一阶相变如何表现？
• RQ2 在置换合金中，控制参数范围扩展时导致相共存的原因是什么？
• RQ3 在这些系统中，相变过程中导致类玻璃动力学冻结的机制是什么？
• RQ4 CHUF协议如何实现对相变中非平衡动力学行为的研究？
• RQ5 为何在经历宽广第一阶相变的系统中会出现异常滞后回线？

主要发现

• 由于在宽广相变范围内发生动力学冻结，两种竞争相的共存可持续至最低温度。
• CHUF协议通过展示在不同第二控制变量条件下热循环的不对称性，成功揭示了类玻璃动力学冻结。
• 由于系统即使在热力学有利条件下也无法完成相变，导致观察到异常滞后行为。
• 宽广相变范围源于置换合金中的淬火无序，阻止了明确的相变点。
• 磁性与多铁材料的实验数据支持了对冻结相变和相共存的现象学模型。
• 该框架为具有竞争能量极小值的系统中相共存、滞后行为和动力学冻结提供了统一描述。