物質(zhì)從一種狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N狀態(tài)的過(guò)程叫做相變。作為自然界中一種常見(jiàn)的現(xiàn)象，相變廣泛存在于物理系統(tǒng)、生物網(wǎng)絡(luò)和社會(huì)體系中。根據(jù)引起相變發(fā)生的因素是來(lái)自系統(tǒng)內(nèi)部還是外部，可以將相變分為平衡和非平衡相變，前者對(duì)應(yīng)內(nèi)部力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)相變，后者對(duì)應(yīng)外部力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)相變。相變臨界點(diǎn)的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)對(duì)于避免系統(tǒng)崩潰、降低實(shí)驗(yàn)與計(jì)算成本至關(guān)重要。然而，復(fù)雜的物理系統(tǒng)和相變現(xiàn)象使得長(zhǎng)期以來(lái)對(duì)于相變臨界點(diǎn)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?cè)跈C(jī)制、行為和研究方法上存在顯著差異，長(zhǎng)期以來(lái)缺乏統(tǒng)一的臨界點(diǎn)判定方法。而磁性系統(tǒng)因其同時(shí)具備兩類相變的清晰物理圖像，成為研究這一問(wèn)題的理想對(duì)象。

近期，中國(guó)科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國(guó)家研究中心磁學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室M02課題組的博士生張?zhí)煲�，萬(wàn)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(yīng)函數(shù)的通用型相變臨界點(diǎn)預(yù)測(cè)指標(biāo)，適用于平衡與非平衡兩種磁相變系統(tǒng)臨界點(diǎn)的預(yù)測(cè)。對(duì)于一個(gè)磁性材料，可以使用磁場(chǎng)和自旋力矩這兩種方法去翻轉(zhuǎn)磁性材料的磁矩，前者對(duì)應(yīng)平衡相變，后者對(duì)應(yīng)非平衡相變。在磁場(chǎng)Bz驅(qū)動(dòng)磁矩翻轉(zhuǎn)的情況(圖a)下，通過(guò)施加一個(gè)水平擾動(dòng)場(chǎng)Bx0 cos(ωt)，磁矩的水平分量mx的峰值和磁場(chǎng)Bz以及頻率ω的關(guān)系如圖b所示。隨著Bz接近臨界點(diǎn)Bc，靜態(tài)(ω = 0)響應(yīng)函數(shù)按照反比例函數(shù)形式趨向于發(fā)散，而動(dòng)態(tài)(ω = ωc本征磁共振頻率)響應(yīng)函數(shù)逐漸減小(圖c)，因此靜態(tài)響應(yīng)函數(shù)可以作為磁場(chǎng)翻轉(zhuǎn)磁矩過(guò)程的預(yù)測(cè)指標(biāo)。對(duì)于自旋力矩驅(qū)動(dòng)磁矩翻轉(zhuǎn)的情況(圖d)，mx的峰值和自旋力矩Jstt以及頻率ω的關(guān)系如圖e所示。隨著Jstt接近臨界點(diǎn)Jc，動(dòng)態(tài)(ω = ωc)響應(yīng)函數(shù)按照反比例函數(shù)形式趨向于發(fā)散，而靜態(tài)(ω =0)響應(yīng)函數(shù)逐漸降低(圖f)，因此動(dòng)態(tài)響應(yīng)函數(shù)可以作為自旋力矩翻轉(zhuǎn)磁矩的預(yù)測(cè)指標(biāo)。進(jìn)一步的研究表明，這些靜態(tài)和動(dòng)態(tài)指標(biāo)可以在一階線性微分系統(tǒng)的框架內(nèi)統(tǒng)一，為預(yù)測(cè)平衡和非平衡相變的臨界點(diǎn)提供了一種可推廣的策略。

圖：平衡與非平衡磁性系統(tǒng)相變的示意圖和預(yù)測(cè)指標(biāo)。(a) 磁場(chǎng)翻轉(zhuǎn)磁矩的雙勢(shì)阱能量示意圖；(b) 響應(yīng)函數(shù)對(duì)直流恒定磁場(chǎng)以及交流擾動(dòng)磁場(chǎng)頻率的依賴關(guān)系；(c) 靜態(tài)響應(yīng)函數(shù)在臨界磁場(chǎng)附近區(qū)域發(fā)散；(d) 自旋力矩翻轉(zhuǎn)磁矩的雙勢(shì)阱能量示意圖；(e) 響應(yīng)函數(shù)對(duì)直流恒定電流以及交流擾動(dòng)磁場(chǎng)頻率的依賴關(guān)系；(f) 動(dòng)態(tài)響應(yīng)函數(shù)在臨界磁場(chǎng)附近區(qū)域發(fā)散。

磁性體系中關(guān)于平衡與非平衡相變臨界點(diǎn)預(yù)測(cè)指標(biāo)的研究，為理解自然界中相變現(xiàn)象及探索其一般規(guī)律提供了新的思路，同時(shí)也彰顯出該方法在跨學(xué)科研究中的可拓展前景。這項(xiàng)研究具有潛在的自旋電子學(xué)應(yīng)用價(jià)值，可用于臨界增強(qiáng)型磁傳感器、磁存儲(chǔ)器均勻性測(cè)試、自旋力矩振蕩器的動(dòng)態(tài)控制以及新型磁性材料的設(shè)計(jì)。

相關(guān)成果以“Predictive Indicator of Critical Point in Equilibrium and Nonequilibrium Magnetic Systems”為題，發(fā)表在Physical Review Letters雜志(https://doi.org/10.1103/81nz-k6tb)，中國(guó)科學(xué)院物理研究所M02組博士張?zhí)煲覟榈谝蛔髡�，萬(wàn)蔡華副研究員和韓秀峰研究員為通訊作者，該項(xiàng)研究得到了科技部國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金和中國(guó)科學(xué)院國(guó)際交流計(jì)劃項(xiàng)目的資助。

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