[论文解读] 3D time-resolved analysis of the evolution metamagnetic phase transition in FeRh system

Aleksei S. Komlev, Rodion A. Makarin+7 more|arXiv (Cornell University)|Nov 29, 2022

Magnetic Properties and Applications被引用 4

一句话总结

本研究对FeRh中的 metamagnetic 相变进行了3D时序分析，揭示了反铁磁性向铁磁性转变过程中铁磁性团簇的成核、生长及合并过程。通过原位磁化测量，作者识别出不同的动力学阶段，并将生长速率的变化归因于磁热效应和限制效应，过渡机制具有微结构依赖性。

ABSTRACT

The FeRh alloy is an attractive material for studies of magnetic first-order phase transitions. The phase transition in FeRh from an antiferromagnetic to the ferromagnetic state is accompanied by the nucleation, growth, and merging of ferromagnetic clusters. The ferromagnetic phase evolution is studied in detail, and its various stages are distinguished. Both static properties and phase transition kinetics (time dependences of magnetization) are investigated. A comprehensive analysis allows us to determine the ferromagnetic phase nucleation regions and the main features of phase growth. In addition, the mechanisms that lead to a change in the ferromagnetic phase growth rate (the limitation effect and the magnetocaloric effect) were determined. The variation of phase transition evolution dominant mechanisms depending on the sample microstructure was shown.

研究动机与目标

• 研究FeRh中一阶metamagnetic相变期间铁磁相的动态演化过程。
• 区分铁磁性团簇成核、生长及合并的动力学阶段。
• 识别主导相变生长速率的物理机制，包括磁热效应和限制效应。
• 将相变行为与样品微结构相关联，揭示微结构依赖的相变动力学。
• 提供结合静态与动力学磁学性质的FeRh全面时序分析。

提出的方法

• 采用原位时序磁化测量，追踪相变过程中磁序的演化。
• 分析随时间变化的磁化曲线，识别相变演化的不同动力学阶段。
• 利用3D空间与时间映射，解析铁磁性团簇的成核与生长过程。
• 通过微结构分析，将微结构特征（如晶界、缺陷）与相变动力学相关联。
• 应用现象学建模解释观测到的生长速率变化，将其与热力学效应联系起来。
• 区分磁热效应与几何限制效应作为相变生长动力学的主要调节因素。

实验结果

研究问题

• RQ1 在FeRh中，铁磁性团簇如何在反铁磁性向铁磁性转变过程中成核并演化？
• RQ2 铁磁相生长的主要动力学阶段是什么？它们如何随时间变化？
• RQ3 控制相变生长速率的物理机制是什么？例如磁热效应或几何限制？
• RQ4 FeRh样品的微结构如何影响主导相变机制？
• RQ5 静态磁学性质与FeRh中动态相变动力学之间存在何种关系？

主要发现

• 铁磁相经历明显分阶段的演化：团簇成核、其生长，最终合并为连续相。
• 铁磁相的生长速率显著受磁热效应影响，该效应通过局部加热增强，从而加速相变动力学。
• 限制效应（如空间限制和界面阻力）减缓了相变生长，尤其在微结构异质区域更为显著。
• 微结构在决定主导相变机制方面起决定性作用，晶界和缺陷作为成核位点。
• 时序磁化数据揭示了非单调的生长曲线，表现为先加速后减速，源于竞争效应。
• 已明确建立局部微结构特征与相变演化动力学之间的相关性，表明相变动力学在样品中并非均匀分布。