Afslører det indre arbejde af magnetiske materialer

Björn Alling, forsker i teoretisk fysik ved Linköpings universitet, har, sammen med sine kolleger, afsluttede den opgave, som det svenske forskningsråd fik i efteråret 2014:Find ud af, hvad der sker inde i magnetiske materialer ved høje temperaturer.

Chromnitrid, CrN, er et magnetisk materiale, der bruges i industrien som, blandt andet, en hård overfladebelægning. Det er også af interesse for forskere, da det er en dårlig varmeleder ved høje temperaturer, hvilket gør den velegnet til brug i, for eksempel, termoelektriske systemer. I sådanne systemer, materialet skal lede strøm uden at lede varme.

Chromnitridets adfærd, imidlertid, er noget bemærkelsesværdigt ved lidt højere temperaturer. Nitrider er forbindelser, der indeholder nitrogen, N, sammen med et andet element. De fleste nitriders evne til at lede varme falder langsomt men sikkert, når temperaturen stiger. Varmeledning af chromnitrid, i modsætning, falder brat efter en moderat temperaturstigning, og forbliver derefter på et konstant lavt niveau, selvom materialet opvarmes til 600 ° C. Mekanismerne bag denne adfærd har efterladt forskerne forvirrede i mange år.

Det seneste årti har set store gennembrud inden for teoretisk forskning inden for materialevidenskab. Forskere har fastslået, hvilke beregningsmetoder der er mest nøjagtige, og har fået adgang til tilstrækkeligt kraftfulde supercomputere til at kunne udføre beregningerne.

"Der har været et stort hul i vores viden i det særlige tilfælde af, hvordan magnetiske materialer fungerer ved høje temperaturer, siger Björn Alling, forsker i teoretisk fysik ved LiU.

Det var næsten fire år siden, ved udgangen af ​​2014, at han blev tildelt et stort forskningsstipend fra det svenske forskningsråd for at forsøge at fylde dette hul, i samarbejde med forskere ved Max-Planck-Institut für Eisenforschung i Düsseldorf. Björn Alling tilbragte to år på instituttet, verdens førende inden for forskning i magnetiske materialer.

Samarbejdet har været en succes og resulteret i en artikel i det prestigefyldte tidsskrift Fysisk gennemgangsbreve , hvor gruppen beskriver en ny metode, der har gjort det muligt at beregne præcis, hvad der sker i chromnitrid, når det opvarmes. Endelig har vi teoretiske beregninger, der stemmer overens med materialets adfærd.

"Vi vil forstå materialerne, uafhængigt af deres temperatur, tryk og sammensætning, og være i stand til at beskrive dem præcist. De teoretiske beregninger og de metoder, vi har udviklet, giver et stabilt grundlag at stå på, når der skal udvikles industrielle applikationer. Det ville have været umuligt at bestemme dette grundlag ved eksperimenter, ”siger Björn Alling.

Den metode, de har udviklet, giver resultater med høj nøjagtighed, og det betyder, at beregningerne er meget krævende.

I faste materialer, atomer er arrangeret i en velorganiseret krystalstruktur, på bestemte afstande fra hinanden. Når materialet opvarmes, atomerne begynder at vibrere.

Hvert atom i et magnetisk materiale indeholder, hvad der kan opfattes som en lille kompasnål, en dipol med en positiv og en negativ ende. I klassiske magnetiske materialer, såsom jern, nålene peger alle i samme retning, som giver materialet dets typiske magnetiske egenskaber. Når materialet opvarmes, imidlertid, kompassnålene begynder at rotere på en uforudsigelig måde.

Der er metoder til beregning og simulering af vibrationer og rotationer med høj nøjagtighed separat, men de forudsiger, at evnen til at lede varme gradvist vil falde. Dette er ikke, hvad der sker for chromnitrid.

"Vi har nu udviklet en metode, hvor vi beskriver, hvordan atomvibrationerne ændrer sig på en femtosekunders tidsskala, beregning af kræfterne i atomerne ved hjælp af kvantemekaniske metoder. Til dette tilføjer vi beregninger af spindynamik - hvor meget magnetismen i atomet roterer i et femtosekund. Vi satte derefter denne beregning tilbage i den dynamiske model for, hvordan atomer vibrerer, ”Forklarer Björn Alling.

Metoden var vellykket.

"Chromnitrid er bemærkelsesværdigt for dets lave varmeledning ved let forhøjede temperaturer. Vi har nu kunnet vise, hvorfor, og vores simuleringer forudsiger adfærden nøjagtigt.

Ingen har formået at gøre dette tidligere."

Beregningen og simuleringen af, hvad der sker i materialet i løbet af 30 picosekunder, kræver mere end en måneds processortid for de ressourcer, forskerne har til rådighed på National Supercomputer Center på LiU og i Düsseldorf

"Vi har været i stand til at kombinere en dyb forståelse af de grundlæggende fysiske og kvantefænomener, og vi har haft adgang til tilstrækkelig computerkraft. Det vil vare noget tid, før metoden bliver meget brugt i videnskaben, da beregningerne er så nøjagtige og krævende, men vi skal bruge denne metode til at gøre fremskridt, ”siger Björn Alling.

Det næste trin vil være at anvende metoden på jern og dets legeringer. Dette er et af de ældste materialer, der er brugt gennem menneskets historie, men vi har stadig ikke en dyb forståelse for det.

"Dette er teoretisk forskning med enorme praktiske anvendelser, ikke mindst i stålindustrien, ”siger Björn Alling.