磁性體系平衡與非平衡相變臨界點的預測 | 進展

物質從一種狀態轉變為另一種狀態的過程叫做相變。作為自然界中一種常見的現象，相變廣泛存在于物理系統、生物網絡和社會體系中。根據引起相變發生的因素是來自系統內部還是外部，可以將相變分為平衡和非平衡相變，前者對應內部力驅動系統相變，后者對應外部力驅動系統相變。相變臨界點的準確預測對于避免系統崩潰、降低實驗與計算成本至關重要。然而，復雜的物理系統和相變現象使得長期以來對于相變臨界點的研究方法都具有特殊性而缺乏一般性和普適性。平衡相變與非平衡相變在機制、行為和研究方法上存在顯著差異，長期以來缺乏統一的臨界點判定方法。而磁性系統因其同時具備兩類相變的清晰物理圖像，成為研究這一問題的理想對象。

近期，中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心磁學國家重點實驗室M02課題組的博士生張天乙，萬蔡華副研究員和韓秀峰研究員，提出了一種基于頻率依賴響應函數的通用型相變臨界點預測指標，適用于平衡與非平衡兩種磁相變系統臨界點的預測。對于一個磁性材料，可以使用磁場和自旋力矩這兩種方法去翻轉磁性材料的磁矩，前者對應平衡相變，后者對應非平衡相變。在磁場Bz驅動磁矩翻轉的情況(圖a)下，通過施加一個水平擾動場Bx0 cos(ωt)，磁矩的水平分量mx的峰值和磁場Bz以及頻率ω的關系如圖b所示。隨著Bz接近臨界點Bc，靜態(ω = 0)響應函數按照反比例函數形式趨向于發散，而動態(ω = ωc本征磁共振頻率)響應函數逐漸減小(圖c)，因此靜態響應函數可以作為磁場翻轉磁矩過程的預測指標。對于自旋力矩驅動磁矩翻轉的情況(圖d)，mx的峰值和自旋力矩Jstt以及頻率ω的關系如圖e所示。隨著Jstt接近臨界點Jc，動態(ω = ωc)響應函數按照反比例函數形式趨向于發散，而靜態(ω =0)響應函數逐漸降低(圖f)，因此動態響應函數可以作為自旋力矩翻轉磁矩的預測指標。進一步的研究表明，這些靜態和動態指標可以在一階線性微分系統的框架內統一，為預測平衡和非平衡相變的臨界點提供了一種可推廣的策略。

圖：平衡與非平衡磁性系統相變的示意圖和預測指標。(a) 磁場翻轉磁矩的雙勢阱能量示意圖；(b) 響應函數對直流恒定磁場以及交流擾動磁場頻率的依賴關系；(c) 靜態響應函數在臨界磁場附近區域發散；(d) 自旋力矩翻轉磁矩的雙勢阱能量示意圖；(e) 響應函數對直流恒定電流以及交流擾動磁場頻率的依賴關系；(f) 動態響應函數在臨界磁場附近區域發散。

磁性體系中關于平衡與非平衡相變臨界點預測指標的研究，為理解自然界中相變現象及探索其一般規律提供了新的思路，同時也彰顯出該方法在跨學科研究中的可拓展前景。這項研究具有潛在的自旋電子學應用價值，可用于臨界增強型磁傳感器、磁存儲器均勻性測試、自旋力矩振蕩器的動態控制以及新型磁性材料的設計。

相關成果以“Predictive Indicator of Critical Point in Equilibrium and Nonequilibrium Magnetic Systems”為題，發表在Physical Review Letters雜志(https://doi.org/10.1103/81nz-k6tb)，中國科學院物理研究所M02組博士張天乙為第一作者，萬蔡華副研究員和韓秀峰研究員為通訊作者，該項研究得到了科技部國家重點研發項目、國家自然科學基金和中國科學院國際交流計劃項目的資助。

編輯：LYang