Вращаться

Том 13 научных докладов, Номер статьи: 14282 (2023) Цитировать эту статью

Подробности о метриках

Сжатие магнитного материала приводит к изменению его магнитных свойств. Мы исследуем этот эффект с помощью спин-решеточной динамики для частного случая ОЦК-Fe, используя как моно-, так и поликристаллическое железо, а также бинепрерывную структуру нанопены. Мы обнаружили, что во время упругой фазы сжатия намагниченность увеличивается из-за более высокой заселенности оболочки ближайших соседей атомами и, как следствие, более высокого обменного взаимодействия соседних спинов. Напротив, в пластической фазе сжатия намагниченность снижается по мере создания дефектов, увеличивая беспорядок и обычно уменьшая среднее координационное число атомов. Эффекты более выражены в монокристаллах, чем в поликристаллах, поскольку наличие дефектов в виде границ зерен противодействует увеличению намагниченности на упругой фазе сжатия. Кроме того, эффекты более выражены при температурах, близких к температуре Кюри, чем при комнатной температуре. В нанопенах эффект сжатия незначителен, поскольку сжатие происходит в большей степени за счет уменьшения пустот и изгиба нитей (с незначительным влиянием на намагниченность), чем за счет напряжения внутри связок. Эти результаты окажутся полезными для адаптации намагниченности под напряжением путем введения пластичности.

Ферромагнетизм объемного ОЦК-Fe уже давно исследуется с использованием методов ab-initio1. Это также позволяет понять локальный эффект изолированных точечных дефектов, таких как вакансии и междоузлия2,3,4, а также дефектных структур с высокой симметрией, таких как поверхности с низким индексом5 и границы зерен6,7,8,9. Однако влияние протяженных дефектов, в частности дислокаций, а также структур, простирающихся более чем на несколько нм, находится за пределами вычислительной досягаемости методов ab-initio. В последнее десятилетие метод спин-решеточной динамики (SLD) получил микроскопическое понимание путем объединения атомистического молекулярно-динамического моделирования решетки с классическим описанием динамики спиновой системы10,11,12,13.

Сжатие металлов вызывает пластичность, основанную на протяженных дефектах, таких как дислокации и двойники. Взаимодействие сжатия и магнетизма требует совместного исследования магнитных и механических свойств Fe. Такая связь была признана давно14. В настоящее время хорошо известно, что намагниченность и пластичность могут влиять друг на друга15,16,17 и что понимание связи может помочь в разработке желаемых магнитных и механических свойств. Недавно Ли и др.18 использовали расчеты теории функционала плотности для описания уменьшения намагниченности в решетке Fe при растяжении, но только для упругих деформаций без учета образования дефектов и пластичности. Ван и др.19 исследовали влияние наноиндентирования на локальный магнетизм вокруг ямки отпечатка, но только при нулевой температуре спина, т.е. игнорируя эффекты спиновой динамики. Кастро и др.20 объединили молекулярную динамику и микромагнитное моделирование, чтобы продемонстрировать, как магнитные свойства Fe изменяются под действием деформации.

Существуют многочисленные исследования магнитоупругих эффектов при низкой деформации21,22, включая недавнее моделирование спин-решетки23,24. Однако остается много вопросов, отчасти из-за сложности экспериментальной количественной оценки как намагниченности, так и деформации на наноуровне, особенно при больших значениях деформации. Существует несколько экспериментов, исследующих роль давления в намагничивании25. Железо под давлением широко изучалось с помощью экспериментов, моделей и моделирования26,27,28,29,30,31,32. Известно, что преобразование ОЦК \(\rightarrow\) ГПУ включает в себя как объемный коллапс, так и переход от ферромагнитного к немагнитному33,34, и поэтому была указана на необходимость одновременного рассмотрения магнитного и структурного порядка35. В качестве другого примера, Конг и др.36 обнаружили, что пластичность тонкой пленки Ni в виде дефектов упаковки изменяет восстановление магнитных доменов при циклической деформации. Связанная спин-решеточная динамика должна была бы включать такие дефекты, которые зарождаются и развиваются под действием деформации и, следовательно, не могут быть включены ни в микромагнитное моделирование, ни в моделирование атомистической спиновой динамики с фиксированной решеткой.