我国科研工作者在相场方法计算方面获得新进展

中国科普网讯(记者马爱平)7月10日，记者从北京科技大学获悉，该校物理学教授马兴桥的研究团队在相场计算方面取得了新进展。

相场法起源于朗道的相变理论。20世纪80年代初，哈查图里安发展了微弹性理论，使相场法适用于弹性系统。

近年来，人们逐渐认识到相场法在材料性能模拟中的优势。它可以模拟非均匀体系中微观结构或磁畴和电畴的形态和演化过程。这对于研究相变过程和计算材料的宏观物理性质是非常有效的。它可以作为建立多尺度模型的核心，在材料研究中越来越受到重视。

研究小组与宾夕法尼亚州立大学的陈龙庆教授和香港理工大学的施三江教授合作，改进了相场计算方法。在相场法中，*能的表达式采用朗道多项式来反映材料的对称性和相变。多项式系数由实验结果拟合。对于合金元素含量很低的体系，很难找到合适的表达式，也很难定量计算浓度。马兴桥教授指导史晓明博士在相场计算方法上取得新进展。他们利用电势表构建了一种数字方法，避免了需要寻找朗道多项式和拟合系数的原始相位场方法，并且可以计算低至ppm的浓度以达到定量水平。该方法也可推广到铁磁、铁电和铁弹系统的计算。

马兴桥的研究团队现在正致力于用相位场方法研究磁系统。磁性材料的应用离不开磁场作用下磁畴的变化规律。与目前广泛使用的计算磁畴和磁化参数演化的微磁法相比，相场法不仅可以研究磁量，还可以研究非磁物理量的演化及其与磁量的相互作用。计算磁畴的同时计算电畴和应变，从而可以研究多场作用下的多铁性系统。

马兴桥用相场计算了铁磁性形状记忆合金NiMnGa体系，研究了合金的磁畴旋转和大应变，讨论了铁磁性与铁弹性、超弹性和假塑性之间的耦合关系。

2006年，实验发现磁场可以驱动NiMnInCo合金发生熵变化的马氏体反转变，可用于磁制冷等。

根据这一体系，马兴桥的研究小组建立了伴随结构相变的反铁磁系统的热力学模型和相场模型。模型修正后，还可以计算亚铁磁结构。他们还利用第一原理研究了磁驱动相变现象，将第一原理与相场法相结合，建立了多尺度计算模型，可以获得多场作用下合金的微观磁结构、磁畴演化和物理性质。

他们还用相场法系统地研究了自旋电子学中由极化电流驱动的自旋磁矩反转和进动的规律。在实验中，可以用电流驱动磁矩翻转来制作磁随机存取存储器(MRAM)。断电后，它仍然可以存储内存。利用电流驱动磁矩进动，直流电能产生几克频率的高频振荡，产生纳米振荡器。该振荡器具有结构简单、灵敏度高、体积小、无大磁体等优点。有望在高灵敏度通信天线、雷达和弱磁场探测等领域得到应用。

马兴桥的研究小组研究了不同外磁场、应力场和极化电流下的自旋动力学模式以及转动和稳定进动的条件，计算了应力场对磁矩转动电流的影响，提出了实现电流驱动四态磁记忆的设计方案。他们还模拟了一个电流驱动的自旋振荡器来实现垂直表面进动，这可以大大提高平面进动振荡器的输出功率。研究了应力场和电压对自旋进动的影响，讨论了稳定振荡模式、频率、相位和功率谱的调制方案。这对自旋纳米存储器和振荡器的发展非常有指导意义和帮助。

此外，马兴桥的研究小组还用相场法研究了核电站结构材料锆在应力场下的氢化物沉淀形貌。电流和磁场作用下第二类超导体中涡旋线的产生和运动:铁电薄膜中的极化动力学、机电效应和畴切换:铁电超晶格和复合多铁性材料的电磁特性。他们还对高效计算进行了研究。一些程序已经用GPU编写成并行计算程序，这将计算速度提高了几十倍，适用于大规模计算机计算。

目前，该研究小组正在开展进一步的方法学研究和软件开发，以便用相场法计算磁系统。相场计算有望扩展到多场作用下的磁系统和多铁性材料系统的研究。相场方法用于系统地研究自旋系统中各种场对自旋的调节，并进一步研究自旋输运现象，从而可用于各种自旋电子学现象和器件的模拟和设计。