共析碳钢铁素体相对质量（Nat.Nano铁性体微观相互作用与宏观性能之间的关系）

▲第一作者：Jannis Lehmann, Amadé Bortis；通讯作者：Jannis Lehmann, Amadé Bortis, Manfred Fiebig ；

通讯单位：苏黎世联邦理工学院；DOI：10.1038/s41565-020-0763-9

材料中以磁或电顺序自发形成状态的驱动力对于基础研究和设备技术至关重要。磁畴的形成是铁性体功能特性的关键。迄今为止，铁磁体是技术上最为相关的铁性体，其畴的形成主要是静磁能最小化的结果。由于目前先进的存储器和自旋电子技术的出现，诸如反铁磁性和铁涡性之类的磁有序补偿结构正在引起关注，其净磁化强度为零，因此磁畴的形成不再是消磁的结果。虽然人们对其了解程度较低，但同等重要的基本因素却应运而生。尽管热力学可以对畴的形成做出一般的宏观预测，但未能揭示这种形成的潜在微观机制。因此，微观相互作用和宏观物理性质之间的联系仍不清楚。诸如应变分布、磁弹性相互作用或退火协议之类的外部效应与固有效应之间相互竞争，使得后者与前者的分离具有挑战性。因此，为了识别和控制内在耦合机制，需要一种具有可调谐相互竞争微观作用的磁补偿系统，在外在作用中占具主导地位。

1. 本文通过构建平面纳米磁铁的人工晶体，实现了内部参数的分离，这些人工晶体由定义明确、可调谐和相互竞争的磁性作用耦合而成。

2. 作者揭示了磁有序补偿结构的微观相互作用以及其物理性质之间的基本内在联系。实验和模拟揭示了如何利用竞争性相互作用来控制铁性体特征，如畴的大小和形态、畴壁的拓扑性质及其热迁移率。

▲图1. 具有零净磁化和两种竞争微观相互作用的铁性体晶体模型

要点： 作者利用由平行和正交的纳米磁体对组成环形方阵，每个磁铁沿长轴携带一个平面内磁矩。由于磁偶极耦合的各向异性，这种排列方式促进了正交和平行最近邻之间的两个相互作用。这两种相互作用可被视为典型的基于磁偶极子的模拟物，以反对称和对称交换相互作用为基础，决定材料中的磁有序结构。

▲图2. 短程和长程序之间的作用相图

要点：作者采用了平衡蒙特卡洛模拟方法，模拟了退火过程，从高温开始，逐渐降低温度到有序温度以下。其中，所有三个路径都导致了相同的远程序基态，因此可以得出系统的宏观物理特性不受对称性变化的影响，而仅受两个微观耦合参数相互作用的影响。

▲图3. 短程序和畴形成之间的相互关系

要点：作者采用了动力学蒙特卡洛方法模拟淬火温度，揭示了短程序在畴的形成过程中的影响，值得注意的是，模拟和测量所得的有关大小形态的畴结构结果一致。

▲图4. 微观相互作用决定的宏观物理特性

要点：作者使用动力学蒙特卡洛方法的多畴配置，进一步预测了微观耦合强度与宏观铁性体性质之间的关系，表明磁电荷密度对畴壁迁移率以及相关的自旋-自旋-自相关时间均有影响。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41565-020-0763-9