Björn Alling, onderzoeker in de theoretische natuurkunde aan de Universiteit van Linköping, heeft, samen met zijn collega's, voltooide de taak die hem door de Zweedse Onderzoeksraad in het najaar van 2014 was opgedragen:ontdek wat er gebeurt in magnetische materialen bij hoge temperaturen.

Chroomnitride, CrN, is een magnetisch materiaal dat in de industrie wordt gebruikt als, onder andere, een harde oppervlaktecoating. Het is ook interessant voor onderzoekers, omdat het een slechte warmtegeleider is bij hoge temperaturen, waardoor het geschikt is voor gebruik in, bijvoorbeeld, thermo-elektrische systemen. In dergelijke systemen, het materiaal moet stroom geleiden zonder warmte te geleiden.

Het gedrag van chroomnitride, echter, is enigszins opmerkelijk bij iets hogere temperaturen. Nitriden zijn verbindingen die stikstof bevatten, N, samen met een ander element. Het vermogen van de meeste nitriden om warmte te geleiden neemt langzaam maar zeker af naarmate de temperatuur stijgt. De warmtegeleiding van chroomnitride, in tegenstelling tot, daalt abrupt na een matige temperatuurstijging, en blijft dan op een constant laag niveau, zelfs als het materiaal wordt verwarmd tot 600 °C. De mechanismen achter dit gedrag hebben onderzoekers jarenlang verbijsterd achtergelaten.

Het afgelopen decennium heeft er grote doorbraken plaatsgevonden in het theoretisch onderzoek in de materiaalwetenschap. Onderzoekers hebben vastgesteld welke rekenmethoden het meest nauwkeurig zijn, en toegang hebben gekregen tot voldoende krachtige supercomputers om de berekeningen uit te kunnen voeren.

"Er zit een groot gat in onze kennis in het specifieke geval van hoe magnetische materialen werken bij hoge temperaturen, " zegt Björn Alling, onderzoeker in de theoretische natuurkunde aan de LiU.

Het is bijna vier jaar geleden, eind 2014, dat hij een grote onderzoeksbeurs kreeg van de Zweedse Onderzoeksraad om te proberen dit gat te vullen, in samenwerking met onderzoekers van het Max-Planck-Institut für Eisenforschung in Düsseldorf. Björn Alling bracht twee jaar door op het instituut, een wereldleider in onderzoek naar magnetische materialen.

De samenwerking is succesvol geweest en heeft geresulteerd in een artikel in het prestigieuze tijdschrift Fysieke beoordelingsbrieven , waar de groep een nieuwe methode beschrijft waarmee ze precies kan berekenen wat er gebeurt in chroomnitride wanneer het wordt verwarmd. Eindelijk hebben we theoretische berekeningen die overeenkomen met het gedrag van het materiaal.

"We willen de materialen begrijpen, onafhankelijk van hun temperatuur, druk en samenstelling, en deze nauwkeurig te kunnen omschrijven. De theoretische berekeningen en de door ons ontwikkelde methoden geven een stabiele basis om op te staan ​​bij het ontwikkelen van industriële toepassingen. Het zou onmogelijk zijn geweest om deze basis door experimenten te bepalen, ", zegt Björn Alling.

De door hen ontwikkelde methode geeft resultaten met een hoge nauwkeurigheid, en dit betekent dat de berekeningen zeer veeleisend zijn.

Bij vaste materialen, de atomen zijn gerangschikt in een overzichtelijke kristalstructuur, op bepaalde afstanden van elkaar. Als het materiaal wordt verwarmd, de atomen beginnen te trillen.

Elk atoom in een magnetisch materiaal bevat wat kan worden gezien als een kleine kompasnaald, een dipool met een positief en een negatief einde. In klassieke magnetische materialen, zoals ijzer, de naalden wijzen allemaal in dezelfde richting, wat het materiaal zijn typische magnetische eigenschappen geeft. Als het materiaal wordt verwarmd, echter, de kompasnaalden beginnen op een onvoorspelbare manier te draaien.

Er zijn methoden beschikbaar om de trillingen en rotaties afzonderlijk met hoge nauwkeurigheid te berekenen en te simuleren, maar ze voorspellen dat het vermogen om warmte te geleiden geleidelijk zal afnemen. Dit is niet wat er gebeurt voor chroomnitride.

"We hebben nu een methode ontwikkeld waarin we beschrijven hoe de atomaire trillingen veranderen op een femtoseconde tijdschaal, het berekenen van de krachten in de atomen met behulp van kwantummechanische methoden. Hieraan voegen we berekeningen van spindynamica toe - hoeveel het magnetisme in het atoom in een femtoseconde roteert. We zetten deze berekening vervolgens terug in het dynamische model van hoe atomen trillen, " legt Björn Alling uit.

De methode was succesvol.

"Chroomnitride is opmerkelijk vanwege zijn lage warmtegeleiding bij licht verhoogde temperaturen. We hebben nu kunnen aantonen waarom, en onze simulaties voorspellen het gedrag nauwkeurig.

Niemand is er eerder in geslaagd dit te doen."

De berekening en simulatie van wat er in het materiaal gebeurt gedurende 30 picoseconden vereist meer dan een maand processortijd voor de middelen die beschikbaar zijn voor de onderzoekers van het National Supercomputer Center in LiU en in Düsseldorf

"We hebben een diep begrip van de fundamentele fysieke en kwantumfenomenen kunnen combineren, en we hebben toegang gehad tot voldoende computerkracht. Het zal nog wel even duren voordat de methode op grote schaal in de wetenschap wordt toegepast, omdat de berekeningen zo nauwkeurig en veeleisend zijn, maar we moeten deze methode gebruiken om vooruitgang te boeken, ", zegt Björn Alling.

De volgende stap zal zijn om de methode toe te passen op ijzer en zijn legeringen. Dit is een van de oudste materialen die in de menselijke geschiedenis zijn gebruikt, maar we hebben er nog steeds geen diep begrip van.

"Dit is theoretisch onderzoek met enorme praktische toepassingen, niet in de laatste plaats in de staalindustrie, ", zegt Björn Alling.