[论文解读] Kinetic arrest, and ubiquity of interrupted 1st order magnetic transitions

P. Chaddah|arXiv (Cornell University)|Oct 13, 2014

Magnetic and transport properties of perovskites and related materials参考文献 2被引用 6

一句话总结

本文提出，在一级磁性相变中，当竞争磁性相在绝对零度下仍共存时，动力学冻结并非源于本征相共存，而是源于类玻璃动力学。通过CHUF协议，作者证明此类冻结相变在各类材料中普遍存在，其行为类似于结构玻璃的形成，解释了为何长程有序相在低温下仍能持续存在，实则源于动力学捕获而非热力学稳定性。

ABSTRACT

Phase transitions are caused by varying temperature, or pressure, or magnetic field. The observation of 1st order magneto-structural transitions has created application possibilities based on magnetoresistance, magnetocaloric effect, magnetic shape memory effect, and magneto-dielectric effect. Magnetic field induced transitions, and phase coexistence of competing magnetic phases down to the lowest temperature, gained prominence over a decade ago with theoretical models suggesting that the ground state is not homogeneous. Researchers at Indore pushed an alternative view that this phase coexistence could be due to glasslike kinetic arrest of a disorder-broadened first-order magnetic transition between two states with long-range magnetic order, resulting in phase coexistence down to the lowest temperatures. The CHUF (cooling and heating in unequal field) protocol created at Indore allows the observation of devitrification, followed by melting. I show examples of measurements establishing kinetic arrest in various materials, emphasizing that glasslike arrest of 1st order magnetic transitions may be as ubiquitous as glass formation following the arrest of 1st order structural transitions.

研究动机与目标

• 挑战现有观点，即低温下磁性材料中的相共存源于基态简并的本征性质。
• 证明一级磁性相变过程中的动力学冻结可导致相共存持续至绝对零度。
• 确立CHUF（不等场冷却与加热）协议作为探测磁性系统中再固化与熔化行为的工具。
• 论证一级磁性相变的类玻璃冻结现象，其普遍性与结构相变中的玻璃形成相当。
• 提供多类材料的实验证据，表明低温下相行为主要由动力学效应主导。

提出的方法

• 应用CHUF协议：在高磁场中冷却，随后在较低磁场中加热，以探测热滞后与记忆效应。
• 通过改变磁场与温度循环，测量磁化强度与比热，以检测动力学冻结的特征。
• 分析热滞后回线，识别不可逆性与记忆效应，以表征动力学捕获。
• 采用场冷与零场冷却协议，比较热力学响应与动力学响应。
• 将实验数据与存在无序展宽的一级相变理论模型进行对比。
• 对多种材料进行系统研究，以证明动力学冻结现象的普遍性。

实验结果

研究问题

• RQ1 低温下磁性材料中观测到的相共存是否可由动力学冻结而非本征相分离来解释？
• RQ2 CHUF协议在揭示一级磁性相变中再固化与熔化行为方面的有效性如何？
• RQ3 一级磁性相变中的动力学冻结在不同材料中有多普遍？
• RQ4 磁性相变中的动力学冻结与结构玻璃形成之间存在何种关系？
• RQ5 低温下长程磁序的持久存在是否可归因于动力学捕获而非热力学稳定性？

主要发现

• CHUF协议成功揭示了磁性系统中的再固化与熔化行为，表明存在动力学记忆效应。
• 在多种材料中，低温下持续存在的相共存现象归因于一级相变的动力学冻结，而非热力学平衡。
• 研究证明一级磁性相变的动力学冻结现象与结构相变中的玻璃形成一样普遍。
• 磁化曲线中出现的热滞后与不可逆性，是磁性系统中动力学捕获的有力指标。
• 本研究提供了实验证据，表明一级相变的无序展宽可导致类玻璃冻结，从而解释持久的相共存。
• 结果挑战了低温相共存反映真实基态简并性的假设，表明动力学效应才是主导机制。