Atomerna inuti material är inte alltid perfekt beställda, som vanligtvis visas i modeller. I magnetisk, ferroelektriska (eller visar elektrisk polaritet) och legeringsmaterial, det finns konkurrens mellan slumpmässiga arrangemang av atomer och deras önskan att anpassa sig i ett perfekt mönster. Förändringen mellan dessa två stater, kallas en fasövergång, sker vid en specifik temperatur.

Markus Eisenbach, en beräkningsvetare vid Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory, leder en grupp forskare som har tagit sig för att modellera beteendet hos dessa material med hjälp av första principer - från grundläggande fysik utan förinställda förhållanden som passar externa data.

"Vi kliar bara på ytan för att förstå den underliggande fysiken för dessa tre materialklasser, men vi har en utmärkt start, "Säger Eisenbach." De tre överlappar faktiskt genom att deras sätt att arbeta innebär oordning, termiska excitationer och resulterande fasövergångar - från störning till ordning - för att uttrycka sitt beteende. "

Eisenbach säger att han är fascinerad av "hur magnetism uppträder och sedan försvinner vid varierande temperaturer. Kontroll av magnetism från en riktning till en annan har konsekvenser för magnetisk inspelning, till exempel, och alla möjliga elektriska maskiner - till exempel motorer i bilar eller generatorer i vindkraftverk. "

Forskarnas modeller kan också hjälpa till att hitta starka, mångsidiga magneter som inte använder sällsynta jordartsmetaller som ingrediens. Ligger längst ner i det periodiska systemet, dessa 17 material kommer nästan uteslutande från Kina och, på grund av deras begränsade källa, anses kritiska. De är en grundpelare i sammansättningen av många starka magneter.

Eisenbach och hans medarbetare, som inkluderar hans ORNL -team och Yang Wang med Pittsburgh Supercomputing Center, är på andra året av en DOE INCITE (Innovative and Novel Computational Impact on Theory and Experiment) för att modellera alla tre materialen på atomnivå. De har tilldelats 100 miljoner processortimmar på ORNL:s Superdator Titan och har redan imponerande resultat inom magnetik och legeringar. Titan är inrymt på Oak Ridge Leadership Computing Facility (OLCF), en användaranläggning för DOE Office of Science.

Forskarna retar upp beteenden i atomskala med hjälp av, ibland, en hybridkod som kombinerar Wang-Landau (WL) Monte Carlo och lokalt självkonsistenta multipelspridningsmetoder (LSMS). WL är ett statistiskt tillvägagångssätt som samplar atomenergilandskapet när det gäller begränsade temperatureffekter; LSMS bestämmer energivärdet. Bara med LSMS, de har beräknat grundtillståndets magnetiska egenskaper hos en järn-platinapartikel. Och utan att göra något antagande utöver den kemiska sammansättningen, de har bestämt temperaturen vid vilken koppar-zinklegering går från ett stört tillstånd till ett ordnat.

Dessutom, Eisenbach har varit medförfattare till två materialvetenskapliga uppsatser under det senaste året, en inom Leadership Computing, den andra en bokstav i Natur , där han och kollegor rapporterade att använda de tredimensionella koordinaterna för en äkta järnplatina nanopartikel med 6, 560 järn och 16, 627 platina atomer för att hitta dess magnetiska egenskaper.

"Vi kombinerar effektiviteten i WL -provtagning, hastigheten på LSMS och datorkraften hos Titan för att ge en solid första principer termodynamisk beskrivning av magnetism, "Eisenbach säger." Kombinationen ger oss också en realistisk behandling av legeringar och funktionella material. "

Legeringar består av minst två metaller. Mässing, till exempel, är en legering av koppar och zink. Magneter, självklart, används i allt från kreditkort till MRI -maskiner och i elmotorer. Ferroelektriska material, såsom bariumtitanat och zirkoniumtitanat, bilda det som kallas ett elektriskt ögonblick, i en övergångsfas, när temperaturen sjunker under den ferroelektriska Curie -temperaturen - den punkt där atomer ligger i linje, utlöser spontan magnetism. Termen - uppkallad efter den franske fysikern Pierre Curie, som i slutet av 1800 -talet beskrev hur magnetiska material reagerar på temperaturförändringar - gäller både ferroelektriska och ferromagnetiska övergångar. Eisenbach och hans medarbetare är intresserade av båda fenomenen.

Eisenbach är särskilt fascinerad av legeringar med hög entropi, en relativt ny underklass som upptäcktes för ett decennium sedan som kan ha användbara mekaniska egenskaper. Konventionella legeringar har ett dominerande element - till exempel järn i rostfritt stål. Legeringar med hög entropi, å andra sidan, jämnt ut sina element på ett kristallgitter. De blir inte spröda när de kyls, förblir smidig vid extremt låga temperaturer.

För att förstå konfigurationen av legeringar med hög entropi, Eisenbach använder analogin av ett schackbräde bestrött med svartvita pärlor. I ett beställt material, svarta pärlor upptar svarta rutor och vita pärlor, vita rutor. I legeringar med hög entropi, dock, pärlorna sprids slumpmässigt över gallret oavsett färg tills materialet når en låg temperatur, mycket lägre än vanliga legeringar, när det nästan motvilligt beställer sig själv.

Eisenbach och hans kollegor har modellerat ett material så stort som 100, 000 atomer med Wang-Landau/LSMS-metoden. "Om jag vill representera oordning, Jag vill ha en simulering som beräknar för hundratals om inte tusentals atomer, snarare än bara två eller tre, " han säger.

För att modellera en legering, forskarna använder först Schrodinger -ekvationen för att bestämma elektronernas tillstånd i atomerna. "Genom att lösa ekvationen kan du förstå elektronerna och deras interaktioner, vilket är limet som håller ihop materialet och bestämmer deras fysiska egenskaper. "

Alla materialets egenskaper och energier beräknas med många hundratusentals beräkningar över många möjliga konfigurationer och över varierande temperaturer för att ge en återgivning så att modellerare kan bestämma vid vilken temperatur ett material tappar eller får sin magnetism, eller vid vilken temperatur en legering går från ett stört tillstånd till ett perfekt ordnat.

Eisenbach väntar ivrigt på att Superdatorn Summit kommer - fem till sex gånger kraftfullare än Titan - till OLCF i slutet av 2018. "I slutändan, vi kan göra större simuleringar och möjligen titta på ännu mer komplexa störda material med fler komponenter och mycket varierande kompositioner, där den kemiska störningen kan leda till kvalitativt nya fysiska beteenden. "