Metoden som avslöjar de magnetiska materialens inre

Björn Alling, forskare i teoretisk fysik vid Linköpings universitet, har tillsammans med kollegor lyckats med det uppdrag han fick av Vetenskapsrådet hösten 2014: Ta reda på vad som händer i de magnetiska materialen vid höga temperaturer.

Metoden Björn Alling och hans kolleger tagit fram kräver tunga beräkningar, i det här fallet i Düsseldorf och vid Nationellt superdatorcentrum, NSC vid LiU. Magnus Johansson

Kromnitrid, CrN, är ett magnetiskt material som idag används industriellt bland annat för hårda ytbeläggningar. Forskarvärlden intresserar sig också för materialet eftersom det leder värme dåligt vid höga temperaturer, en bra egenskap i exempelvis termoelektriska system. Där vill man att materialet ska leda ström, men inte värme.

Dock beter sig kromnitrid lite märkligt vid lite högre temperaturer. I de flesta nitriderna - en klass av material som innehåller kväve, N, plus ytterligare ett ämne - minskar värmeledningsförmågan sakta men säkert ju högre temperaturen blir. Värmeledningsförmågan i kromnitrid störtdyker istället redan vid en måttlig temperaturhöjning för att sedan ligga på en konstant låg nivå hur varmt det än blir - upp till 600 °C. Varför det fungerar så här är en fråga som har gäckat forskarna under många år.

Kunskapslucka

Det har skett stora genombrott inom den teoretiska materialforskningen det senaste decenniet. Forskarna vet vilka beräkningsmetoder som är de mest noggranna och har också fått tillgång till tillräckligt med superdatorkraft för att göra beräkningarna.

– Just när det gäller kunskaper om hur de magnetiska materialen fungerar vid höga temperaturer har det funnits en stor lucka, säger Björn Alling, forskare i teoretisk fysik vid Björn Alling, IFM, Teoretisk fyski, Linköpings universitet Foto Magnus JohanssonLiU.

För snart fyra år sedan, i slutet av 2014, fick han ett stort forskningsanslag från Vetenskapsrådet för att om möjligt täppa till luckan, tillsammans med forskare vid Max-Planck-institutet för järnforskning i Düsseldorf. Björn Alling tillbringade två år vid institutet som anses vara världsledande inom just magnetiska material.

Samarbetet har givit resultat och i ansedda Physical Review Letters har de nu publicerat en ny metod där de teoretiskt kunnat beräkna precis vad det är som händer i kromnitrid när det hettas upp. Äntligen stämmer beräkningar med hur materialet fungerar i verkligheten.
– Vi vill förstå materialen, oavsett temperatur, tryck och vilka ämnen som ingår och kunna beskriva dem noggrant. De teoretiska beräkningarna och metoderna vi tar fram ger en stabil grund att stå på när det sedan kommer till utvecklingen av industriella tillämpningar, en grund det aldrig går att experimentera sig fram till, säger Björn Alling.

Beräkningstung metod

Metoden de har tagit fram är noggrann och kräver därför tunga beräkningar.
I de fasta materialen ligger atomerna ordnade i en kristallstruktur, de är placerade på bestämda avstånd från varandra. När materialet värms upp börjar atomerna att vibrera.

I de magnetiska materialen sitter det också som en liten kompassnål i varje atom (kallas dipoler med en positiv och en negativ pol). I de klassiska magnetiska materialen, som järn, sitter nålarna riktade åt samma håll, vilket ger de typiska magnetiska egenskaperna. När materialet värms upp börjar dock kompassnålarna att rotera slumpmässigt.

Vibrationerna och rotationerna finns det metoder att beräkna och simulera var för sig med hög noggrannhet, men resultatet har då blivit en långsamt avtagande värmeledningsförmåga och så fungerar inte kromnitrid.

– Vi har nu hittat en metod där vi beskriver hur vibrationerna i atomerna utvecklas på en femtosekund där vi beräknar krafterna i atomerna med kvantmekaniska metoder. Till det lägger vi beräkningar av spinndynamiken - hur mycket magnetismen i atomen roterar under en femtosekund. Den beräkningen sätter vi sedan tillbaka in i de dynamiska modellerna för hur atomerna vibrerar, förklarar Björn Alling.

Metoden gav resultat.
– Kromnitrid är ett material som sticker ut med sin låga värmeledningsförmåga vid lite högre temperaturer och nu har vi kunnat visa varför och simulerat fram beteendet. 

Det har ingen lyckats med tidigare, säger han.

Datorhall på Nationellt Superdatorcentrum, Campus Valla, Linköpings universitet. Foto Thor BalkhedAtt beräkna och simulera vad som händer i materialet under 30 pikosekunder krävde beräkningar som tar mer än en månad med de resurser forskarna har tillgång till vid Nationellt superdatorcentrum vid LiU och i Düsseldorf

Järn vanligt men outforskat

– Här har vi kombinerat en djup förståelse för de grundläggande fysikaliska och kvantmekaniska fenomenen och vi har haft tillgång till tillräckligt med superdatorkraft under tillräckligt lång tid. Metoden kommer att ta tid att ta till sig i vetenskapsvärlden eftersom den är så noggrann och krävande beräkningsmässigt, men det är en metod som behövs för att vi ska kunna komma vidare, säger Björn Alling.

Nästa steg är att använda metoden på järn och järnets legeringar, ett av de äldsta materialen i människans historia men vars inre vi ännu inte har så djupa kunskaper om.

– Det är en teoretisk forskning med mycket stor relevans, inte minst för stålindustrin, säger Björn Alling.

Forskningen har finansierats av Vetenskapsrådet, men även av Stiftelsen för Strategisk Forskning och den strategiska satsningen på Avancerade funktionella material, AFM, vid LiU.


Artikeln: Anomalous Phonon Lifetime Shortening in Paramagnetic CrN Caused by Spin-Lattice Coupling: A Combined Spin and Ab Initio Molecular Dynamics Study
Irina Stockem, Anders Bergman, Albert Glensk, Tilmann Hickel, Fritz Körmann, Blazej Grabowski, Jörg Neugebauer and Björn Alling, Physical Review Letters 121 2018.
DOI 10.1103/PhysRevLett.121.125902

Kontakt

Läs mer

Strategisk forskning

Senaste nytt från LiU