深耕科研领域书写时代赞歌

北京科技大学马星桥教授

科技推动了人类的发展，社会的进步。多彩的科技生活，为我们带来了多种可选择的生活方式。值得注意的是，在这些科技力量的背后，都有着物理学的影子。互联网的实时通信；磁悬浮列车的投入运行；高速计算机技术的完善，都与物理学密切相关。

马星桥教授就是一位从事物理学研究的科研人员。1978年，他进入北京科技大学物理专业攻读本科，那时的他就与这所学府结下了不解之缘。毕业后，在北京科技大学的平台上，他找到了施展才华的舞台。

不断探索相场方法迎突破

相场方法是马星桥教授的研究领域之一，它是一种基于体系自由能计算的动力学方法。为了攻克相场研究中的难题，马星桥教授带领课题组，废寝忘食的投入其中，通过反复的研究，终于在这一领域取得了突破性进展。

说起相场方法，它起源于朗道理论，发展于上世纪80年代初，它的重要性得到了广泛认可，比如，它可以模拟非均匀体系中微观组织或磁畴、电畴的形貌及其演化过程，对研究相变过程以及计算材料的宏观物理性质十分有效，被视为构建多尺度模型的核心。

众所周知，现代的科学研究，早已经走出了单打独斗的狭隘空间，跨国、跨地区的合作屡见不鲜。马星桥教授带领课题组与相场专家，宾夕法尼亚州立大学陈龙庆教授及香港理工大学石三强教授合作，针对相场计算方法展开研究和探索。他发现相场方法中为反映材料的对称性及相变，自由能表达式中采用的朗道多项式，要由实验结果拟合多项式的系数，对于有极低含量合金元素的体系很难找到合适的表达式,较难定量计算浓度。在研究中，马星桥教授指导的博士研究生施小明，在相场计算方法取得新进展。他们构建了一种采用势表的数字化方法，避免了原来相场方法需要寻找朗道多项式并拟合系数的做法,可以计算低至ppm级的浓度，达到定量水平。该方法同样适用于铁磁、铁电及铁弹体系的计算。

磁性材料的应用离不开磁畴在外场下的变化规律，与当前广泛采用计算磁畴演化和磁化参量的微磁学方法相比，相场方法既可以用于研究磁学量，又可对非磁学物理量的演化和它们与磁学量的相互作用进行研究，在计算磁畴的同时计算电畴及应变，因而可以研究多场作用下的多铁体系。

兢兢业业推进科研进程

科研工作需要耐心和毅力，每一个科学难关，都需要课题组全体成员脚踏实地的解决，对此，马星桥教授深有感触。

他曾用相场计算铁磁性形状记忆合金NiMnGa体系，研究了该合金的磁畴转动和大应变，讨论了其铁磁性和铁弹性之间的耦合及超弹性和伪塑性。这个过程是何其艰难和漫长，不亲身经历的人无法感同身受。

2006年，日本的一个课题组在实验中发现，用磁场可驱动NiMnInCo合金发生马氏体逆相变并伴随熵的改变，可做磁驱功能元件及磁制冷等。

为了从理论上研究这一现象，他带领课题组建立了伴随结构相变的反铁磁体系的热力学模型和相场模型，该模型修正后也可计算亚铁磁结构，他们还用第一性原理研究了磁驱相变现象，并将第一原理与相场方法结合，建立了一个多尺度计算模型，可得到微观磁结构和磁畴演化及合金在多场作用下的物理性质。

他们还利用相场方法系统地研究了自旋电子学中极化电流驱动自旋磁矩翻转及进动的规律。实验中利用电流驱动磁矩翻转，可以制作磁性随机内存（MRAM），它断电后仍可保存记忆。利用电流驱动磁矩进动，可用直流电产生频率为几个G的高频振荡，制作纳米振荡器，这种振荡器具有结构简单，灵敏度高，不需要大的磁体因而体积很小等优点，有望在高灵敏通讯天线，雷达及弱磁场探测等方面得到应用。

马星桥教授的科研热情从不曾熄灭，当完成一个课题的时候，他就会带领课题组进入下一项研究，比如，他带领的课题组研究了不同外磁场、应力场、不同极化电流下自旋动力学的模式及产生翻转和稳定进动的条件，计算了应力场对磁矩翻转电流的影响，并提出了一种实现电流驱动四态磁存储器的设计方案。模拟一种实现垂直表面进动的电流驱动自旋振荡器的实现方案，提高了振荡器的输出功率。研究应力场及电压对自旋进动的影响，讨论稳定振荡模式、频率、位相和功率谱的调制方案。

科研没有止境，科研工作者的工作，也同样没有止境，每一项科研成果都凝聚着科研工作者的付出，马星桥的课题组就是这样一个不断攻关的团队。他们采用相场方法还研究过核电站结构材料锆在应力场下氢化物的析出形貌；第二类超导体中涡旋线在电流及磁场作用下的生成及运动规律；铁电薄膜中电畴的极化动力学、力-电效应和电畴翻转途径；铁电超晶格及复合多铁性材料的电磁性质。他们还开展了高效计算的研究，部分程序已编写为采用GPU的并行计算程序，计算速度提高了几十倍，并可以适用于大规模计算机计算。

围绕着相场方法，马星桥教授提出了更高的目标。目前，他们正在探索用相场方法计算磁学体系的方法学研究和软件开发。把相场计算推广到更多的多场作用下的磁学体系及多铁材料体系的研究中是课题组共同的愿望，同时用相场方法对自旋体系中各种场对自旋的调控作用进行系统化研究，进一步开展自旋输运现象，使之用于各种自旋电子学现象和器件的模拟和设计也是他们未来的目标。

马星桥教授在实验室指导学生