[论文解读] Higher order magnetoelasticity energy corrections in bcc and fcc systems

Jakub Šebesta, Ondřej Faiman+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 10, 2026

Magnetic Properties and Applications被引用 0

一句话总结

该论文在立方体 bcc Fe 与 fcc Ni 的磁弹性能量中推导了高阶应变项，并表明这些项在立方对称下对各向异性磁致伸缩几乎无显著影响，而额外的一阶项可显著影响各向同性磁致伸缩。

ABSTRACT

Magnetoelastic properties play a vital role in industrial applications. Despite being hidden behind either purely magnetic or elastic behavior, magnetoelasticity takes place in a wide range of devices as transducers, acoustic actuators, or fast response sensors. In this work, we inspect the impact of higher-order terms on the anisotropic magnetostriction behavior. Regarding ab-initio calculations, the anisotropic magnetostriction can be related to the strain dependence of the magnetocrystaline energy. Commonly, the description is restricted to a linear strain dependence in the magnetoelastic energy. Here, we derive higher-order terms in strain for bcc and fcc crystal structures. Using a simple parametrization, we show that the influence of the higher-order strain terms is negligible for the studied cubic systems.

研究动机与目标

• 说明磁弹性在传感器与换能器等器件中的重要性。
• 在立方系统中将磁弹性能量描述扩展至线性应变项以外。
• 利用偶极-偶极相互作用对高阶项进行参数化，以评估对磁致伸缩的影响。
• 将理论预测与从头计算和实验常数进行比较以评估准确性。

提出的方法

• 通过在应变下展开偶极-偶极相互作用，推导 bcc 与 fcc 结构的磁弹性能量中的高阶应变项。
• 将磁弹性常数 b_i 和 b_i'' 表示为 l(r) 与其导数 L = r0 dl/dr|_{r0} 的函数（表 1）。
• 通过最小化磁弹性能量与弹性能量之和以获得平衡应变（式 3, 7-9）。
• 使用已发表常数和扩展能量形式计算 Fe（bcc）和 Ni（fcc）的平衡应变（图 1）。
• 将结果与线性项模型以及与从头计算/实验常数进行比较，以评估高阶项的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 高阶应变项是否显著改变立方体 bcc 与 fcc 系统中的各向异性磁致伸缩？
• RQ2 由偶极-偶极相互作用得到的扩展磁弹性常数与 Fe 和 Ni 的从头计算与实验值有何差异？
• RQ3 包含高阶项是否会改变各向同性磁致伸缩的预测，且在何种条件下？
• RQ4 对于立方对称性而言二次项是否可忽略，但在较低对称性系统中是否可能更为重要？

主要发现

• 高阶应变项在磁弹性能量中引入了额外的 b_i' 与 b_i'' 项（式 16）。
• 对于立方体 bcc Fe 与 fcc Ni，二次项对各向异性磁致伸缩的影响可以忽略。
• 扩展模型由于额外的一阶项 b1' 而在 ε_xx 曲线中产生常数位移（图 1）。
• 二次磁弹性常数 b_i'' 相对于相应的弹性常数较小，限制了其影响。
• 虽然额外的一阶项对各向同性磁致伸缩可有实质性修改，但在立方系统中各向异性磁致伸缩基本保持不变。