De atomen in materialen zijn niet altijd perfect geordend, zoals gewoonlijk afgebeeld in modellen. in magnetische, ferro-elektrisch (of met elektrische polariteit) en legeringsmaterialen, er is concurrentie tussen willekeurige rangschikking van de atomen en hun wens om in een perfect patroon uit te lijnen. De verandering tussen deze twee staten, een faseovergang genoemd, gebeurt bij een bepaalde temperatuur.

Markus Eisenbach, een computationele wetenschapper bij het Oak Ridge National Laboratory van het Department of Energy, staat aan het hoofd van een groep onderzoekers die het gedrag van deze materialen hebben gemodelleerd met behulp van eerste principes - van fundamentele fysica zonder vooraf ingestelde voorwaarden die passen bij externe gegevens.

"We krabben slechts aan het oppervlak van het begrijpen van de onderliggende fysica van deze drie klassen materialen, maar we hebben een uitstekende start, ", zegt Eisenbach. "De drie overlappen elkaar in feite in die zin dat hun manier van werken wanorde omvat, thermische excitaties en resulterende faseovergangen - van wanorde naar orde - om hun gedrag uit te drukken."

Eisenbach zegt dat hij gefascineerd is door "hoe magnetisme verschijnt en vervolgens verdwijnt bij verschillende temperaturen. Het beheersen van magnetisme van de ene richting naar de andere heeft implicaties voor magnetische opname, bijvoorbeeld, en allerlei elektrische machines – bijvoorbeeld motoren in auto's of generatoren in windturbines."

De modellen van de onderzoekers kunnen ook helpen bij het vinden van sterke, veelzijdige magneten die geen zeldzame aardelementen als ingrediënt gebruiken. Gelegen aan de onderkant van het periodiek systeem, deze 17 materialen komen bijna uitsluitend uit China en, vanwege hun beperkte bron, worden als kritisch beschouwd. Ze zijn een steunpilaar in de samenstelling van veel sterke magneten.

Eisenbach en zijn medewerkers, waaronder zijn ORNL-team en Yang Wang met het Pittsburgh Supercomputing Center, zijn in het tweede jaar van een DOE INCITE (Innovative and Novel Computational Impact on Theory and Experiment)-prijs om alle drie de materialen op atomair niveau te modelleren. Ze hebben 100 miljoen processoruren gekregen op ORNL's Titan-supercomputer en hebben al indrukwekkende resultaten op het gebied van magnetisme en legeringen. Titan is gehuisvest in de Oak Ridge Leadership Computing Facility (OLCF), een DOE Office of Science gebruikersfaciliteit.

De onderzoekers plagen gedrag op atomaire schaal met behulp van, soms, een hybride code die Wang-Landau (WL) Monte Carlo en lokaal zelfconsistente meervoudige verstrooiing (LSMS) methoden combineert. WL is een statistische benadering die het atoomenergielandschap bemonstert in termen van eindige temperatuureffecten; LSMS bepaalt de energiewaarde. Met LSMS alleen, ze hebben de magnetische eigenschappen van de grondtoestand van een ijzer-platinadeeltje berekend. En zonder enige veronderstelling te maken buiten de chemische samenstelling, ze hebben de temperatuur bepaald waarbij een koper-zinklegering van een wanordelijke toestand naar een geordende toestand gaat.

Bovendien, Eisenbach was co-auteur van twee materiaalwetenschappelijke papers in het afgelopen jaar, een in Leadership Computing, de ander een brief in Natuur , waarin hij en collega's rapporteerden met behulp van de driedimensionale coördinaten van een echt ijzer-platina nanodeeltje met 6, 560 ijzer en 16, 627 platina-atomen om zijn magnetische eigenschappen te vinden.

"We combineren de efficiëntie van WL-sampling, de snelheid van het LSMS en de rekenkracht van Titan om een ​​solide thermodynamische beschrijving van magnetisme op basis van de eerste beginselen te geven, ", zegt Eisenbach. "De combinatie geeft ons ook een realistische behandeling van legeringen en functionele materialen."

Legeringen bestaan ​​uit ten minste twee metalen. Messing, bijvoorbeeld, is een legering van koper en zink. Magneten, natuurlijk, worden in alles gebruikt, van creditcards tot MRI-machines en in elektrische motoren. Ferro-elektrische materialen, zoals bariumtitanaat en zirkoniumtitanaat, vormen wat bekend staat als een elektrisch moment, in een overgangsfase, wanneer de temperatuur onder de ferro-elektrische Curie-temperatuur daalt - het punt waar atomen op één lijn liggen, spontaan magnetisme teweegbrengen. De term - genoemd naar de Franse natuurkundige Pierre Curie, die aan het eind van de 19e eeuw beschreef hoe magnetische materialen reageren op temperatuurveranderingen - is van toepassing op zowel ferro-elektrische als ferromagnetische overgangen. Eisenbach en zijn medewerkers zijn in beide fenomenen geïnteresseerd.

Eisenbach is vooral geïntrigeerd door legeringen met een hoge entropie, een relatief nieuwe subklasse die tien jaar geleden werd ontdekt en die nuttige mechanische eigenschappen kan hebben. Conventionele legeringen hebben een dominant element - bijvoorbeeld ijzer in roestvrij staal. Legeringen met hoge entropie, anderzijds, spreid hun elementen gelijkmatig uit op een kristalrooster. Ze worden niet broos als ze worden gekoeld, plooibaar blijven bij extreem lage temperaturen.

Om de configuratie van legeringen met hoge entropie te begrijpen, Eisenbach gebruikt de analogie van een schaakbord bestrooid met zwarte en witte kralen. In een besteld materiaal, zwarte kralen bezetten zwarte vierkanten en witte kralen, witte vierkanten. In legeringen met hoge entropie, echter, de kralen worden willekeurig over het rooster verspreid, ongeacht de kleur totdat het materiaal een lage temperatuur bereikt, veel lager dan normale legeringen, wanneer het zichzelf bijna met tegenzin beveelt.

Eisenbach en zijn collega's hebben een materiaal zo groot als 100 gemodelleerd, 000 atomen met behulp van de Wang-Landau/LSMS-methode. "Als ik wanorde wil vertegenwoordigen, Ik wil een simulatie die rekent voor honderden, zo niet duizenden atomen, in plaats van slechts twee of drie, " hij zegt.

Om een ​​legering te modelleren, de onderzoekers zetten eerst de Schrodinger-vergelijking in om de toestand van elektronen in de atomen te bepalen. "Door de vergelijking op te lossen, kun je de elektronen en hun interacties begrijpen, dat is de lijm die het materiaal bij elkaar houdt en hun fysieke eigenschappen bepaalt."

Alle eigenschappen en energieën van een materiaal worden berekend door vele honderdduizenden berekeningen over vele mogelijke configuraties en over verschillende temperaturen om een ​​weergave te geven, zodat modelbouwers kunnen bepalen bij welke temperatuur een materiaal zijn magnetisme verliest of krijgt, of bij welke temperatuur een legering van een wanordelijke toestand naar een perfect geordende toestand gaat.

Eisenbach kijkt reikhalzend uit naar de komst van de Summit-supercomputer – vijf tot zes keer krachtiger dan Titan – naar OLCF eind 2018. "Uiteindelijk we kunnen grotere simulaties doen en mogelijk kijken naar nog complexere ongeordende materialen met meer componenten en sterk variërende samenstellingen, waar de chemische stoornis kan leiden tot kwalitatief nieuw fysiek gedrag."