基于粒子自旋模型的金属磁记忆微观机理研究

发布时间：2020-09-30 13:20

　　本项研究工作基于原子尺度,采用从头算分子动力学方法和第一性原理方法对金属磁记忆的微观机理进行了研究。从头算分子动力学方法,是对分子作经典与量子混合处理的一种方法。在不考虑粒子系统发生化学反应以及晶体发生相变的条件下,结合量子统计力学方法,将原子实运动的位移由Ewald势进行描述,由此得到相应的Hamilton函数,并因此提出粒子位移型Ising模型。通过对Hamilton泛函性质的讨论,分析了在重整化群变换粗颗粒化后粒子位移型Ising环链的自相似性;利用周期性边界条件,得到了组合Ising环链系统伴随粒子位移和粒子自旋子系统的Hamilton函数的统一表达式;分析了理想和存在点缺陷Ising链的配分函数,相应的Helmholtz自由能以及Gibbes自由能。在所开发的方法中,铁原子被处理为全同玻色粒子,粒子自旋的能量是被量子化的,而且粒子的位移如象电子自旋一样同样是被量子化的。类似于粒子自旋子系统,粒子运动子系统也具有能量简并态,表明整个系统的量子化特征。用这个开发出的模型和从头算分子动力学软件包VASP分析了一维Ising链的磁化强度和磁致伸缩性质以及它们随温度之间变化的关系。两种方法计算的结果符合得很好,表明了所开发的模型的有效性。在原子尺度下,Ising环链的磁化强度不仅与系统的状态数有关,而且与粒子数N有关。Ising环链在拉伸状态下的磁化强度与压缩状态下的磁化强度相当不同,原因在于其不同的自旋极化以及由于在不同的应力状态下所具有的不同“绝热”效果。与此同时,发现最邻近点缺陷处原子磁矩异常增加,这就是金属磁记忆在微观尺度下的本质特征。基于平面波赝势方法的第一性原理方法,首先对受约束和非约束铁素体超晶胞掺杂碳原子对磁性的响应,提出准铁素体计算模型,由此得到铁素体磁性随碳原子浓度减少而增加的计算结果。在晶体的周期性边界条件约束下,铁素体的错配主要发生在[010]方向上,同时错配使处于体心上的铁原子排斥距离增大,在相同的晶面上形成相应的Fe-C金属间化合物。而在非约束条件下[100]和[001]方向出现铁素体局部区域中的残余应力。晶格错配导致磁性与应力之间的响应远比铁素体在机械加载时所导致的结果大,反映出在晶体结构中掺杂碳原子的铁素体的磁性增强。金属磁记忆检测的漏磁信号主要来源于由于材料损伤产生的点缺陷最邻近原子磁矩的异常分布,并且从计算结果可以看出,磁信号强弱与损伤率之间存在对应响应关系,这是用磁记忆方法探测材料损伤的理论依据;对于单晶材料,因原子空位造成的单晶点缺陷,自旋波产生的原子磁矩的涨落是背景噪声的主要来源;对于多晶材料,产生背景噪声的因素很多,这既包括由自旋波产生的原子磁矩的涨落,也包括多晶材料在结晶和机械加工过程中的产生的原始缺陷,这些缺陷在微观上数量众多,因此构成复合背景噪声。
【学位单位】：重庆大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TG115.28
【部分图文】：

粗颗粒,重整化群,粒子,晶格

bL ≤ L（2.62）即对于 Ising 链，重整化群变换后，链的长度不增加。对应于（2.62）式，首先考虑可压缩映射性，有下式成立( ( ) ( )) ( )1 2 1 2, ,b bρ R X R X ≤ ρX X（2.63）同时，在数学上，总可以找到一个数α ，0 ≤ α< 1，使下式成立( ( ) ( )) ( )1 2 1 2, ,b bρ R X R X ≤ αρX X（2.64）因此，重整化群变换 X 空间具有压缩映射性质。⑦二维 Ising 模型的处理对于 2d-Ising 模型，其 Hamilton 函数同样可以由（2.50）表示，但为了使Hamilton 函数的表示更具有对称性，下面对粒子的位移作如下处理。如图 2.3 所示，为一正方形平面粒子阵列。如果只讨论晶格有变形时的情况，在保证平面晶格受到外加载荷作用，而不发生畸变时，则需保证粒子产生的位移沿晶向指数[110],[110],[110]和[110]方向，且四个粒子的位移绝对值相等。

位移向量,位点,模型,简单立方晶格

沿 110 晶格方向观察晶格的排列及受拉伸压缩的位移情况，映射到一维，于 V 中讨论的情况。因此对于 2d-Ising 模型，其 Hamilton 函数可以写为12 21Nq ij i j i ii j ijβH z K u u R u+< = = ∑ ∑ (2中qz 是晶格离子配位数，上式中，将应变张量或位移矩阵作对角化处理，则(2就可以按应变主方向格式写出，即与(2.50)式具有相同的格式。⑧三维 Ising 模型的处理对于 3d-Ising 模型，其 Hamilton 函数仍然可以由（2.50）表示，同样为了amilton 函数的表示具有对称性，下面对粒子的位移作如下处理。如图 2.5 所示，为一简单立方晶格粒子阵列。如果只讨论晶格有变形时的情保证简单立方晶格受到外加载荷作用，而不发生畸变时，则需保证粒子产生移沿晶向指数[111]，[111]，[111]，[111]，[111]，[111]，[111]和[111]方八个粒子的位移绝对值相等。现将各位移向量写为( )1=u u + u +u ，且有u= u= u= u， u =u

粒子分布,填充数,量子态,轨道

1 11 1, ,, ,,sissuiuugi is is s is is si igi iu iu u iu iu ui is u s un n n N nn n n N nN N Nααααe ee ee e e= == == = == = == = + =∑ ∑ ∑∑ ∑ ∑ (2.84)式中 Nu是运动粒子数，而 Ns是自旋粒子数。对于玻色子系统，全同粒子是不可分辨的，而且每个状态允许填充的粒子数不受任何限制，根据表 2.1 的粒子分布，首先计算电子自旋型 Ising 模型igsin 个粒子填充在能级isε 个量子态1 2, ,i i igsiψ ψ ψ 中有多少种方式（同构地可用同种方法处理粒子位移型 Ising 模型）。设想将能级isε 分隔成sig 个填充空格（如下图所示），每个空格代表一个量子态，用黑点代表填充的全同玻色粒子。将igsin 个黑球与 1sig 个空格间的格栅进行排列（图中设 7igsin = ， = 5sig ）。图 2.6 中 5 个空格表示将能级分割 5 个量子态，每个量子态中填充的粒子数不同。这种不同可以看作是黑球与格栅之间排队方式的不同（不计两端格栅，参与

【参考文献】