Forskere undersøger, hvordan atomer flugter i magnetiske materialer

Atomer inde i materialer er ikke altid perfekt bestilt, som normalt afbildet i modeller. I magnetisk, ferroelektriske (eller viser elektrisk polaritet) og legeringsmaterialer, der er konkurrence mellem tilfældigt arrangement af atomerne og deres ønske om at justere i et perfekt mønster. Ændringen mellem disse to stater, kaldes en faseovergang, sker ved en bestemt temperatur.

Markus Eisenbach, en beregningsforsker ved Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory, leder en gruppe forskere, der har sat sig for at modellere opførslen af ​​disse materialer ved hjælp af første principper - fra grundlæggende fysik uden forudindstillede forhold, der passer til eksterne data.

"Vi kradser bare overfladen af ​​at forstå den underliggende fysik i disse tre klasser af materialer, men vi har en glimrende start, "Eisenbach siger." De tre overlapper faktisk i og med, at deres driftsformer involverer uorden, termiske excitationer og resulterende faseovergange - fra uorden til orden - for at udtrykke deres adfærd. "

Eisenbach siger, at han er fascineret af "hvordan magnetisme fremstår og derefter forsvinder ved varierende temperaturer. Kontrol af magnetisme fra en retning til en anden har konsekvenser for magnetisk optagelse, for eksempel, og alle mulige elektriske maskiner - f.eks. motorer i biler eller generatorer i vindmøller. "

Forskernes modeller kunne også hjælpe med at finde stærke, alsidige magneter, der ikke bruger sjældne jordartselementer som ingrediens. Placeret i bunden af ​​det periodiske system, disse 17 materialer kommer næsten udelukkende fra Kina og, på grund af deres begrænsede kilde, betragtes som kritiske. De er en grundpille i sammensætningen af ​​mange stærke magneter.

Eisenbach og hans samarbejdspartnere, som inkluderer hans ORNL -team og Yang Wang med Pittsburgh Supercomputing Center, er i andet år af en DOE INCITE (Innovative and Novel Computational Impact on Theory and Experiment) tildeling for at modellere alle tre materialer på atomniveau. De har fået 100 millioner processortimer på ORNLs Titan -supercomputer og har allerede imponerende resultater inden for magnetik og legeringer. Titan har til huse på Oak Ridge Leadership Computing Facility (OLCF), en DOE Office of Science brugerfacilitet.

Forskerne driller atomskalaadfærd ud ved hjælp af, til tider, en hybridkode, der kombinerer Wang-Landau (WL) Monte Carlo og lokalt selvkonsistente multiple scattering (LSMS) metoder. WL er en statistisk tilgang, der prøver atomkraftlandskabet med hensyn til begrænsede temperatureffekter; LSMS bestemmer energiværdien. Med LSMS alene, de har beregnet jordtilstandsmagnetiske egenskaber for en jern-platinpartikel. Og uden at antage noget ud over den kemiske sammensætning, de har bestemt temperaturen, ved hvilken kobber-zinklegering går fra en uordnet tilstand til en ordnet.

I øvrigt, Eisenbach har medforfatter til to materialevidenskabelige artikler i det forløbne år, en i Leadership Computing, den anden et bogstav i Natur , hvor han og kolleger rapporterede at bruge de tredimensionelle koordinater for en ægte jern-platin nanopartikel med 6, 560 jern og 16, 627 platinatomer for at finde dets magnetiske egenskaber.

"Vi kombinerer effektiviteten af ​​WL -prøvetagning, hastigheden af ​​LSMS og computerkraften til Titan til at give en solid førstegangs-termodynamisk beskrivelse af magnetisme, "Kombinationen giver os også en realistisk behandling af legeringer og funktionelle materialer."

Legeringer består af mindst to metaller. Messing, for eksempel, er en legering af kobber og zink. Magneter, selvfølgelig, bruges i alt fra kreditkort til MR -maskiner og i elektriske motorer. Ferroelektriske materialer, såsom bariumtitanat og zirconiumtitanat, danne det, der er kendt som et elektrisk øjeblik, i en overgangsfase, når temperaturerne falder under den ferroelektriske Curie -temperatur - det punkt, hvor atomer flugter, udløser spontan magnetisme. Udtrykket - opkaldt efter den franske fysiker Pierre Curie, der i slutningen af ​​1800 -tallet beskrev, hvordan magnetiske materialer reagerer på temperaturændringer - gælder både ferroelektriske og ferromagnetiske overgange. Eisenbach og hans samarbejdspartnere er interesserede i begge fænomener.

Eisenbach er især fascineret af legeringer med høj entropi, en relativt ny underklasse opdaget for et årti siden, der kan have nyttige mekaniske egenskaber. Konventionelle legeringer har et dominerende element - f.eks. jern i rustfrit stål. Legeringer med høj entropi, på den anden side, spredt jævnt deres elementer på et krystalgitter. De bliver ikke sprøde, når de køles ned, forbliver bøjelig ved ekstremt lave temperaturer.

For at forstå konfigurationen af ​​legeringer med høj entropi, Eisenbach bruger analogien til et skakbræt drysset med sort og hvide perler. I et bestilt materiale, sorte perler indtager sorte firkanter og hvide perler, hvide firkanter. I legeringer med høj entropi, imidlertid, perlerne spredes tilfældigt over gitteret uanset farve, indtil materialet når en lav temperatur, meget lavere end normale legeringer, når det næsten modvilligt beordrer sig selv.

Eisenbach og hans kolleger har modelleret et materiale så stort som 100, 000 atomer ved hjælp af Wang-Landau/LSMS-metoden. "Hvis jeg vil repræsentere uorden, Jeg vil have en simulering, der beregner for hundredvis, hvis ikke tusinder af atomer, frem for bare to eller tre, " han siger.

For at modellere en legering, forskerne implementerer først Schrodinger -ligningen for at bestemme elektronernes tilstand i atomerne. "Ved at løse ligningen kan du forstå elektronerne og deres interaktioner, som er limen, der holder materialet sammen og bestemmer deres fysiske egenskaber. "

Alle materialets egenskaber og energier beregnes ved mange hundrede tusinder af beregninger over mange mulige konfigurationer og over varierende temperaturer for at give en gengivelse, så modellerere kan bestemme ved hvilken temperatur et materiale taber eller får sin magnetisme, eller ved hvilken temperatur en legering går fra en uordnet tilstand til en perfekt ordnet.

Eisenbach afventer spændt ankomsten af ​​Summit -supercomputeren - fem til seks gange mere kraftfuld end Titan - til OLCF i slutningen af ​​2018. "I sidste ende, vi kan lave større simuleringer og muligvis se på endnu mere komplekse uordnede materialer med flere komponenter og vidt forskellige sammensætninger, hvor den kemiske lidelse kan føre til kvalitativt ny fysisk adfærd. "