热淬火动态调控铁性材料畴结构的非平衡路径研究

本研究通过热淬火技术实现了稀土正铁氧体Dy0.7Tb0.3FeO3中铁磁畴结构的动态控制。研究人员利用激光辅助快速冷却，在GxAyFz和FxCyGz相变过程中实现了畴图案的选择性转移，发现通过调节淬火速率可创造平衡态无法获得的亚稳态畴结构。这项工作为功能畴工程提供了新思路，发表于《Nature Communications》。

　　

在材料科学领域，控制铁性材料的畴结构是实现其功能特性的关键。传统方法通常采用准静态电场或磁场来改变畴结构，但这种方法受到缓慢相互作用的限制。与之形成鲜明对比的是，冶金学领域早已采用快速热淬火技术通过相变来创造新的微观结构。这种非平衡方法在铁性材料中却鲜有探索，特别是在跨越多个相变点时如何控制畴结构的演化仍是一个悬而未决的问题。

瑞士苏黎世联邦理工学院（ETH Zurich）的研究团队在《Nature Communications》发表的研究工作中，以多铁性材料Dy_0.7Tb_0.3FeO₃(DTFO)为模型系统，通过创新的热淬火技术实现了对铁磁畴结构的动态控制。这种稀土正铁氧体因其丰富的磁相变和耦合的铁性序而成为理想的研究平台。研究人员关注的核心科学问题是：能否通过非平衡的热淬火过程，跨越多个相变点，实现对最终畴结构的选择性控制？

研究采用了三项关键技术：1）激光辅助热淬火系统，可实现最高375 K/s的冷却速率；2）千赫兹级高速法拉第成像技术，实时捕捉畴结构演化；3）基于COMSOL的温度场模拟，精确量化淬火过程中的温度梯度。这些技术的结合使得研究人员能够精确控制相变路径并实时观测畴结构动态。

在"Ferroic phases and domains in DTFO"部分，研究首先表征了DTFO的温度依赖磁结构。通过Bertaut符号表示法，确认了从高温G_xA_yF_z相到中间F_xC_yG_z相，最终到低温F_z相的转变过程。法拉第成像显示高温相呈现典型的迷宫畴结构（~80 μm宽度），而中间相则形成沿a轴排列的条纹畴。

"Quench-induced domain-pattern transfer"部分揭示了淬火速率的关键作用。当淬火速率超过临界值7.5 K/s时，高温相的迷宫畴结构可以完整转移到低温相；而慢速淬火则导致条纹畴的形成。结构相似性分析（SSIM）和均方偏差（MSD）量化了这种转移效率，确认临界淬火时间约为600 ms。

"Nonequilibrium domain evolution"部分通过实时成像解析了畴结构演化的两个时间尺度：在F_x相中，初始迷宫畴在数十毫秒内快速破碎，随后在数百毫秒内缓慢重组为条纹畴。傅里叶变换分析显示，淬火过程中畴结构先经历沿a轴的拉伸/压缩变形，随后才完全重组。

研究最后提出了动态自由能模型来解释观察到的现象。在F_x相中，面内磁化消除了杂散场稳定作用，使稀土磁序的各向异性成为主导因素。快速淬火可"冻结"非平衡畴结构，而慢速淬火则允许系统弛豫到能量最低的条纹畴构型。这种通过淬火速率调控畴结构的方法，为多铁性材料的功能设计提供了新思路。

这项工作的重要意义在于：1）首次实现了通过热淬火跨越多个相变点控制畴结构；2）发现了临界淬火速率这一新的控制参数；3）创造了平衡态无法获得的亚稳态畴结构。这些发现不仅适用于稀土正铁氧体，也为其他强关联电子系统和相分离材料的非平衡控制提供了借鉴。该研究将传统冶金学的淬火概念引入功能材料领域，开辟了畴工程的新途径。