Введение к работе
Актуальность темы. В последнее десятилетие сформировались научно-технические направления, включившие в себя изучение новых материалов с высокими механическими, антикоррозионными и другими функциональными свойствами, к которым, в частности, относятся наноматериалы. Магнитные свойства наноматериалов не описываются моделями первого приближения (классические модели Изинга, Гейзенберга и т.д.), поэтому в современных исследованиях используются более реалистичные модели и учитываются усложняющие факторы, присущие реальным системам. К ним могут быть отнесены дальнее и многоспиновое взаимодействия, наличие примесей и ряд других. Строгое исследование таких систем на основе микроскопических гамильтонианов методами современной физики - задача чрезвычайно сложная. Это приводит к тому, что фазовые переходы и критические явления в нанокристаллах интенсивно исследуются методом численного моделирования -методом Монте-Карло. С другой стороны в последнее время интенсивно изучаются квазиодномерные системы. Хотя квазиодномерные магнетики были синтезированы более 30 лет назад, вопрос об их критических свойствах остается открытым. Компьютерное моделирование процессов в квазиодномерных магнетиках является необходимым, так как экспериментальные измерения в таких магнетиках представляет большие трудности, если вообще возможны в настоящее время.
Цель работы: Исследовать критическую динамику наноразмерных магнетиков методом моделирования в рамках обобщенной модели Изинга одномерного магнетика. Для достижения данной цели в работе решался ряд задач, основными из которых были следующие.
-
Исследовать диаграммы основных состояний для модели квазиодномерного магнетика нанометровых размеров во внешнем магнитном поле с учетом ближнего, дальнего и многочастичного межатомных взаимодействий, а также для магнетика, содержащего немагнитные примеси.
-
Изучить влияние внешнего поля, межатомного взаимодействия, температуры и размеров системы на критические индексы малого квазиодномерного магнетика при магнитном переходе ферромагнетик -антиферромагнетик.
-
В рамках обобщенной одномерной модели Изинга проверить выполнение гипотезы динамического скейлинга по полученным значениям критических индексов магнитного перехода.
-
Выяснить роль перколяционных эффектов, возникающих в магнетике с внедрением немагнитной примеси при магнитном переходе ферромагнетик -антиферромагнетик, т.е. исследовать поведение времени релаксации выше и ниже порога протекания.
Научная новизна. Впервые на наноструктурном уровне:
1. Построена и исследована модель, позволяющая выявить тенденции в
изменении критического поведения квазиодномерного магнетика с внедрением
немагнитных примесей.
-
Изучены диаграммы основных состояний на основе модифицированной модели квазиодномерного магнетика, выявлена возможность прогноза вида диаграмм основных состояний при произвольном числе узлов в модели.
-
Рассчитаны значения критических индексов с учетом магнитного поля, дальнего взаимодействия, немагнитных атомов. Обнаружены перколяционные эффекты для одномерного изинговского магнетика.
-
Доказано, что для средних значений критических индексов в обобщенной модели одномерного магнетика гипотеза динамического скейлинга нарушается.
Научная и практическая ценность. Результаты работы уточняют и развивают ряд представлений о критическом поведении наноразмерных квазиодномерных магнетиков. Разработаны новые методики изучения низкоразмерных магнетиков (учтены многочастичное взаимодействие и перколяционные эффекты). Полученные результаты имеют значение для проверки модельных представлений и конструирования материалов с использованием магнитных превращений в квазиодномерных системах. Разработан подход, позволяющий предсказывать все возможные магнитные структуры наноразмерного одномерного изинговского магнетика. Результаты дают вклад в теорию моделирования наноразмерных магнетиков.
Положении, выносимые на защиту.
-
Возможно точное прогнозирование всех магнитных фаз на диаграммах основных состояний наноразмерного одномерного изинговского беспримесного магнетика.
-
Для наноразмерного изинговского магнетика существует аномальная область относительно низких температур, в которой время релаксации не зависит от температуры.
-
Магнитное поле и многочастичное взаимодействие в одномерном изинговского магнетике существенно влияет на критические индексы магнитного перехода ферромагнетик - антиферромагнетик, т.е. на время релаксации и корреляционную длину.
-
В малом изинговском магнетике для средних значений величин гипотеза динамического скейлинга существенно нарушается.
-
При учете замороженной немагнитной примеси (при низких температурах) в модели одномерного изинговского наномагнетика наблюдаются перколяционные эффекты, т.е. выше и ниже порога перколяции время релаксации магнитного перехода зависит от количества примесей по-разному, что существенно сказывается на значениях динамического критического индекса.
Достоверность полученных результатов обеспечивается
использованием, в качестве базовой, классической модели Изинга, хорошо зарекомендовавшего себя метода статистических испытаний - метода Монте-Карло и подтверждается согласием с общими принципами термодинамики и статистической физики, сопоставлением с данными экспериментальных исследований, а также с результатами, полученными другими авторами.
Личный вклад автора состоит в участии в постановке задач, модификации одномерной модели Изинга, разработке алгоритмов и программ,
проведении численных расчетов и анализе результатов.
Апробация результатов диссертации. Результаты диссертационных исследований докладывались на «Республиканских Катановских чтениях» (Абакан, 2002 - 2008 гг.), на 5 - 9 Всероссийских семинарах «Моделирование неравновесных систем» (Красноярск, 2002 - 2008 гг.), на V Всероссийской конференции (школы) молодых ученых «Физическая мезомеханика материалов» (Томск, 2003 г.), на VII Международном семинаре «Эволюция дефектных структур в конденсированных средах» (Барнаул, 2003 г.), на Международной конференции «Современные проблемы физики и высокие технологии» (Томск, 2004 г.), на IX Российской научной студенческой конференции в «Физика твердого тела» (Томск, 2004 г.), на Международной конференции «Фундаментальные проблемы современного материаловедения» (Барнаул, 2005 г.), на Международной научно-технической школе-конференции «Молодые ученые 2005» (Москва, 2005 г.), на Международной научной конференции «Пленки 2005» (Москва, 2005 г.), на II Международной научно-практической конференции «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности» (Санкт-Петербург, 2006 г.), на IX Международной конференции «Градиентные структурно-фазовые состояния в сталях и сплавах» (Новокузнецк, 2006 г.), на Международной научно-технической конференции «Компьютерное моделирование и интеллектуальные системы» (Запорожье, Украина, 2007 г.), на III и IV Всероссийской конференции молодых ученых «Физика и химия высокоэнергетических систем» (Томск, 2007 и 2008 гг.).
Публикации. По теме диссертации опубликованы 22 научные работы, из которых: 2 статьи в периодических изданиях по списку ВАК, 2 статьи в научных журналах, 1 статья депонирована в ВИНИТИ, 1 статья в электронном архиве (США), 6 работ в трудах Международных конференций, 8 работ в трудах Всероссийских конференций.
Общая характеристика диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 разделов, заключения, содержит всего 112 с, в том числе 88 иллюстраций, 2 таблицы, список литературы из 119 наименований.
