[论文解读] 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 5

一句话总结

本文提出，磁性玻璃通过一阶磁相变的动力学冻结形成，其中在磁场中快速冷却可阻止潜热释放，使系统被困于具有长程磁序和结构序的亚稳态玻璃态。其关键贡献在于证明磁场可调节玻璃化转变温度（Tg），并通过CHUF协议（不等场下的冷却与加热）实现可逆的玻璃形成与再结晶，揭示了磁化率和密度的再入转变行为。

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.

研究动机与目标

• 研究通过一阶磁相变的动力学冻结形成磁性玻璃的机制。
• 探讨磁场如何调节玻璃化转变温度（Tg）并稳定亚稳态玻璃态。
• 证明磁性玻璃虽具有长程结构与磁序，但仍表现出类玻璃动力学（如弛豫行为、比热）。
• 建立一种协议——CHUF（不等场下的冷却与加热）——以实现磁性玻璃的可逆形成与再结晶。
• 检验磁性系统中的玻璃形成物理机制是否可为理解结构玻璃提供启示。

提出的方法

• 采用朗道理论建模一阶相变的自由能 f(T, S)，其中 S 为序参量，显示两个极小值被能垒 fB 分隔。
• 系统在磁场 Ho 下缓慢冷却，于 Tg 处形成玻璃态，此时弛豫时间变得天文数字，动力学被冻结。
• 通过在不同磁场 H1 下升温诱导再结晶，当 Tg < T* 时，能垒 fB 消失，允许晶体有序重新建立。
• 应用 CHUF 协议（在 Ho 下冷却，在 H1 下加热）以观测磁化率与密度的再入转变行为。
• 通过磁化率与比热测量，验证在不同 H 与 T 条件下，锰氧化物样品中类玻璃行为的存在。
• 分析传导电子在热传导中的作用，评估其与磁潜热的耦合如何影响玻璃形成。

实验结果

研究问题

• RQ1 一阶磁相变是否可导致动力学冻结，并形成具有长程序的磁性玻璃？
• RQ2 调节磁场 H 如何改变玻璃化转变温度 Tg，并实现可逆的玻璃形成？
• RQ3 潜热与比热在磁性玻璃形成中的作用是什么？其与结构玻璃有何不同？
• RQ4 是否可利用 CHUF 协议（不等场下的冷却与加热）诱导并逆转磁性玻璃的再结晶？
• RQ5 磁序与传导电子之间的耦合是否影响磁性玻璃的形成难易程度？

主要发现

• 当一阶磁相变在磁场中缓慢冷却时发生动力学冻结，潜热无法释放，系统被困于亚稳态，形成磁性玻璃。
• CHUF 协议通过在冷却阶段使用 Ho、加热阶段使用 H1，实现可逆的玻璃形成与再结晶，当 H1 下 Tg < T* 时，允许晶体结构恢复。
• 在 CHUF 协议下，对磁性玻璃升温时观测到磁化率与密度的再入转变，证实了玻璃态的亚稳态本质。
• 该玻璃态表现出类结构玻璃的弛豫与比热行为，尽管其具有长程磁序与结构序。
• Tg 对磁场的依赖性使系统可在金属玻璃与玻璃形成体之间调节，实现对玻璃形成的实验调控。
• 本研究表明，磁潜热与传导电子的耦合可能影响玻璃形成过程，为探索结构玻璃物理提供了新途径。