A thermodynamic explanation of the Invar effect
A thermodynamic explanation of the Invar effect
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殷钢效应的热力学解释
DOI：
10.1038/s41567-023-02142-z
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发表时间：
2023
期刊：
影响因子：
19.6
通讯作者：
Fultz, B.
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
Lohaus, S. H.;Heine, M.;Guzman, P.;Bernal-Choban, C. M.;Saunders, C. N.;Shen, G.;Hellman, O.;Broido, D.;Fultz, B.
铁镍因瓦合金极低的热膨胀长期以来一直与磁性有关，但迄今为止，因瓦合金行为的微观基础在理论和实验上都无法解释。在这里，我们提出了核共振X射线散射测量压力下的声子和磁熵。通过应用热力学麦克斯韦关系，这些数据，我们得到单独的声子和磁的热膨胀的贡献。我们发现，因瓦行为源于声子和自旋之间的竞争。特别是，声子对热膨胀的贡献抵消了因瓦合金行为在0-3 GPa压力范围内的磁贡献。在3 GPa以上的压力，取消丢失，但我们的分析再现了正的热膨胀分别测量同步加速器X射线衍射。实验数据的从头计算表明，自旋-声子相互作用提高了因瓦行为范围内的这种抵消的准确性。自旋-声子相互作用也解释了不同的声子模式如何随着压力而具有不同的能量位移。
The anomalously low thermal expansion of Fe–Ni Invar has long been associated with magnetism, but to date, the microscopic underpinnings of the Invar behaviour have eluded both theory and experiment. Here we present nuclear resonant X-ray scattering measurements of the phonon and magnetic entropies under pressure. By applying a thermodynamic Maxwell relation to these data, we obtain the separate phonon and magnetic contributions to thermal expansion. We find that the Invar behaviour stems from a competition between phonons and spins. In particular, the phonon contribution to thermal expansion cancels the magnetic contribution over the 0–3 GPa pressure range of Invar behaviour. At pressures above 3 GPa, the cancellation is lost, but our analysis reproduces the positive thermal expansion measured separately by synchrotron X-ray diffractometry. Ab initio calculations informed by experimental data show that spin–phonon interactions improve the accuracy of this cancellation over the range of Invar behaviour. Spin–phonon interactions also explain how different phonon modes have different energy shifts with pressure.
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