自旋玻璃和金属玻璃的玻璃转变动力学相似相异性研究

The nature of glass and glass transition phenomenon are among the deepest and most interesting unsolved problems in condensed mater physics. Spin glasses and metallic glasses are different types of glassy materials. There are some parallel theories and concepts for the two glassy materials developed independently. In this proposal, based on the CuAuMn spin glass and CuZrAl metallic glass model systems, we are going to study the glass transition phenomenon and its dynamics by introducing the new concepts and methods in the other field. By measuring the ac susceptibility at different frequencies, the glass transition dynamics of spin glasses will be studied. By fitting the relation between the peak temperature and frequency using Vogel-Fulcher-Tammann (VFT) equation, the fragility of the spin glass forming system will be obtained. The relation between fragility and glass forming ability will be studied. The composition dependence of the glass transition temperature for CuZrAl metallic glasses will be studied. Analogous to the magnetic atoms in spin glasses, the key composition element in determining the glass transition temperature of metallic glasses will be investigated. The role of the key element will be interpreted based on the elastic model for glass transitions. The results of this project are expected to provide new methods and ideas in studying the nature of glasses and glass transition phenomenon.

玻璃转变现象和玻璃的本质是凝聚态物理领域最深刻和有趣的尚未解决的物理问题之一。自旋玻璃和金属玻璃属于两种不同的玻璃体系，彼此发展了一些相互独立的理论和概念。本项目拟以CuAuMn自旋玻璃体系和CuZrAl金属玻璃体系为模型，借鉴对方的研究方法从全新的角度认识两种玻璃体系的玻璃转变现象及其动力学行为。通过测量自旋玻璃的交流磁化率随着频率的变化规律，研究自旋玻璃的玻璃转变动力学行为;通过VFT方程拟合交流磁化率峰值温度和频率的关系，获得自旋玻璃体系的“脆度”（fragility），验证脆度和玻璃形成能力的关系。通过测量CuZrAl金属玻璃的玻璃转变温度随着各个合金元素浓度的变化规律，研究确定金属玻璃中类似于自旋玻璃体系中磁性元素的对玻璃转变温度影响最大的关键合金元素，并利用玻璃转变的弹性模型理论解释其物理机制。本项目研究结果将为研究玻璃态物质本质和玻璃转变现象提供新的研究思路和方法。

玻璃转变现象和玻璃的本质是凝聚态物理领域最深刻和有趣的尚未解决的物理问题之一。自旋玻璃和金属玻璃属于两种不同的玻璃体系，彼此发展了一些相互独立的理论和概念。对比研究两种玻璃体系的玻璃转变特征，对认识玻璃的本质和性能调控具有重要意义。本项目以Tm39Gd16Co20Al25自旋玻璃体系和(La0.5Ce0.5)65Al10Co25-xCux (x=0, 5, 10, 15, 20, 25)金属玻璃体系为模型，借鉴对方的研究方法从全新的角度认识两种玻璃体系的玻璃转变现象及其动力学行为。通过测量自旋玻璃的交流磁化率随着频率和外加磁场的变化规律，研究自旋玻璃的玻璃转变动力学行为，引入VFT方程拟合交流磁化率峰值温度和频率的关系，获得了自旋玻璃体系的“脆度系数”（fragility）。发现该自旋玻璃的脆度系数大约为50，跟普通金属玻璃的脆度系数相当；在1T外磁场下脆度系数只有5左右，远低于结构玻璃过冷液体的最小值（16），属于“超强”的玻璃转变动力学。通过测量(La0.5Ce0.5)65Al10Co25-xCux金属玻璃的玻璃转变温度随着Cu元素浓度的变化规律，发现金属玻璃中存在类似于自旋玻璃体系中磁性元素的对玻璃转变温度影响巨大的关键合金元素，具体由该元素与其他合金元素的混合热决定。本项目研究结果对理解和调控自旋玻璃的磁热效应及软磁材料的直流偏置效应有帮助，证明可以通过选择具有合适混合热的合金元素，设计制备具有优异热塑性变形能力的非晶合金体系。本项目在国际知名期刊共发表英文SCI文章9篇，中文文章1篇。培养硕士研究生3名，博士研究生2名。