米乐m6官方网站【理事长：中钵良二】（以下简称“AIST”）地质信息研究部【研究主任：田中雄一郎】全球变化历史研究组高级首席研究员小田宏（论文主要作者理查德·哈里森教授）、澳大利亚国立大学和伦敦帝国理工学院正在开展磁性材料的研究磁滞二阶微分分析法(FORC方法) 及其扩展方法 (扩展的 FORC 方法)进行了模拟，并确认了与测量数据的对应性。
对于纳米级磁性颗粒的聚集体，我们使用FORC方法和扩展的FORC方法模拟了磁化强度对复杂外部磁场变化的响应，并将获得的结果可视化。特别是地质样品中所含趋磁细菌我们表明，体内呈链状排列的磁性颗粒的线性可以通过磁化强度的变化模式来确定。这一结果有望有助于受气候变化影响的趋磁细菌的识别和分析，也有助于磁性材料无损评价方法和识别未知磁性颗粒聚集体和混合物方法的发展。该技术的详细信息由美国地球物理联盟发布。地球物理研究杂志杂志。
使用 FORC 方法可视化排列成链的磁性材料对磁场反转的响应
（左）使用振动样品磁力计使用 FORC 方法进行测量。使用电磁体向磁性材料施加磁场并读取磁化强度。 （中）①如果在正确的方向施加强磁场，磁性材料就会向右排列。 ② 即使磁场减小到零，磁化强度也几乎不会改变。 ③ 此外，如果向相反方向施加弱磁场，则只有一部分磁化强度会反转。 （右）通过多次改变和反转磁场来可视化磁场和磁化强度的变化。
最近，纳米磁性材料引起了人们的关注。特别是，有望阐明纳米磁性材料对生物体和环境的作用和影响，以及在工业和医学中的应用。例如，在趋磁细菌体内产生的纳米级磁链也在海底和湖床的泥浆中的磁铁化石中被发现，但越来越明显的是，最佳氧浓度因物种而异，并且磁性材料的形状也因物种而异。此外，虽然5600万年前全球气温急剧上升，但最近对趋磁细菌化石磁性形状的详细分析表明，深层海水中的氧气浓度在温度上升后下降。因此，需要一种高度可靠的纳米磁性材料评估方法来帮助阐明过去的气候变化。作为包括纳米磁性材料在内的磁性材料的评价技术之一振动样品磁力计的 FORC 方法等被利用。与其他评估技术不同，它具有无损确定纳米级磁性粒子的类型、形状、尺寸、接近度等的潜力，但利用FORC方法的理论背景不足，在实际使用中仍存在问题。
AIST的目标是开发和成熟自然和工业中磁性材料的评估技术，作为其中之一，一直致力于FORC方法的开发和应用。我们特别邀请了领导FORC方法发展约20年的澳大利亚国立大学Andrew Roberts教授作为海外杰出研究员，通过剑桥大学和伦敦帝国理工学院的国际联合研究，对FORC方法以及2017年提出的扩展FORC方法进行了模拟。
这项研究和开发是米乐m6官方网站优秀研究员邀请项目“磁记录和气候变化研究的机器学习方法的开发（2018-2019 财年）”的一部分。
这次，我们模拟了用于评估地球和行星科学领域以及凝聚态物质领域（例如磁性材料）中的磁性材料的FORC方法和扩展FORC方法，并首次给出了为解释结果提供必要的理论基础的基础数据。特别是，通过同时显示总共四个图：使用FORC方法的FORC图和使用扩展FORC方法的三个图，现在可以清楚地区分磁性材料的类型和形状，而迄今为止，由于磁性材料有许多相似之处，仅根据FORC图很难进行分类。另外，FORC法和扩展FORC法是基于实验的现象学分析方法，以往未知物质的分析数据是通过与迄今为止积累的已知物质的分析数据进行比较来解释的，但通过利用该模拟，可以准备包括磁性材料的各向异性和密度的模拟数据，并通过与实验数据进行比较来获得有关未知磁性粒子的更详细的信息。在这项研究中，它也是作为天然矿物质生产的磁铁矿是啊赤铁矿，不同磁各向异性以不同密度的聚集体形式存在。此外，他们还进行了模拟趋磁细菌体内形成的磁链的模拟。
图 1 右侧显示了用于模拟趋磁细菌的磁链多重分布模型的一部分。当细菌存活时，磁链几乎是线性的（图 1，左），但细菌死亡后，磁链的排列被破坏，它们变得弯曲（图 1，中）。图1右侧对应的是细菌死亡后磁链的弯曲状态。图2显示了模拟趋磁细菌的两种链状磁性颗粒的模拟结果。上排示出了磁性材料链笔直延伸的情况，下排示出了磁性材料链塌陷并弯曲的情况。在直链的情况下，tFORC图中几乎看不到任何东西（一种扩展的FORC方法），但在从直线断裂的链的情况下，tFORC图中红色区域以蝴蝶翅膀的形状展开，可以清楚地区分两者之间的差异。另一方面，仅使用传统的FORC图很难判断链状磁性材料的线性度。采用扩展 FORC 方法的模拟可以更轻松地确定链磁体的排列模式。
图1趋磁细菌（左）和趋磁细菌化石（中）的透射电镜图像，链状磁性材料的模拟模型（右）
趋磁细菌体内链接在一起的黑色颗粒是磁铁矿，两端的鞭毛让它们沿着磁场线游动。 5600万年前全球快速变暖时期，在南大西洋深海海底的泥浆中发现了趋磁细菌体内的磁铁化石（图中央）。该仿真模型模拟了细菌死亡后体内链状磁性颗粒弯曲的状态。一条链对应一种趋磁细菌。另外，左图(Shimoshige 等人，2017；公共图书馆一; doi：101371/journalpone0170932) 和中心人物 (张等人2018；自然通讯; doi: 101038/s41467-018-06472-y) 都是知识共享许可的版权规则发布的开放获取论文的图表的一部分（归属：CC-BY）并嵌入纸质信息。
图2 一链磁性粒子（左）、FORC图（中）、tFORC图（右），这是扩展的FORC方法之一
上行和下行分别是线性和曲链纳米磁性材料的计算。每个纳米磁性粒子都由一个绿色球体表示，球体上的黑色突起表示其容易磁化的方向。示出了每个模拟中使用的多个链磁体之一作为示例。单独在FORC图中很难区分上下两行，但在tFORC图中两者的区别就很明显了。
分析磁性颗粒的方法有两种：一种是分析样品的抛光表面，另一种是对样品进行粉末化。然而，在提取和抛光磁性颗粒的过程中，它们常常会转变为表现出与原始磁性完全不同的磁性状态，这往往会影响分析结果。另一方面，FORC方法和扩展的FORC方法是非破坏性分析，允许在保持磁性粒子的三维排列的同时进行测量，因此测量数据的可靠性很高。这次模拟能够提供重要的基础数据，为解释实验结果提供理论基础，从而可以正确解释使用FORC方法和扩展FORC方法获得的分析结果。
未来，我们计划增加包括趋磁细菌在内的各种磁性粒子的模拟实例数量，并使与地质样本等实测数据的对比更加准确，使该方法成熟为可用于气候变化重建的磁性材料的无损评价方法。特别是使用模拟数据机器学习训练的引入有望促进未来磁性材料自动评估方法的发展。
论文标题：模拟具有单轴、立方和六角各向异性的粒子相互作用的剩余、瞬态和诱导 FORC 图
作者：理查德·J·哈里森1，赵翔2,3，胡鹏翔2,3，佐藤哲郎3，大卫·赫斯洛普2,3，阿德里安·R·穆克斯沃西4，织田博国3，文卡塔·S·C·库皮利1和安德鲁·P·罗伯茨2,3
已出版的杂志：地球物理研究杂志：固体地球，doi：101029/2019JB018050（电子期刊发表于 2019 年 12 月 14 日（美国东部标准时间））
- 剑桥大学
- 澳大利亚国立大学
- 米乐m6官方网站 (AIST)
- 伦敦帝国学院
国立产业技术综合研究所
地质信息研究部全球变化史研究组
高级首席研究员 Hirokuni Oda 电子邮件：hirokuni-oda*aistgojp（发送前请将 * 更改为 @。）