Björn Alling, forskare i teoretisk fysik vid Linköpings universitet, har, tillsammans med sina kollegor, fullbordade den uppgift som Vetenskapsrådet gav honom hösten 2014:Ta reda på vad som händer inuti magnetiska material vid höga temperaturer.

Kromnitrid, CrN, är ett magnetiskt material som används i industrin som, bland annat, en hård ytbeläggning. Det är också av intresse för forskare, eftersom det är en dålig värmeledare vid höga temperaturer, vilket gör den lämplig för användning i, till exempel, termoelektriska system. I sådana system, materialet ska leda ström utan att leda värme.

Kromnitridens beteende, dock, är något anmärkningsvärt vid något högre temperaturer. Nitrider är föreningar som innehåller kväve, N, tillsammans med ett annat element. De flesta nitriders förmåga att leda värme sjunker långsamt men säkert när temperaturen ökar. Värmeledningen av kromnitrid, i kontrast, faller snabbt efter en måttlig temperaturstigning, och förblir sedan på en konstant låg nivå, även när materialet värms upp till 600 ° C. Mekanismerna bakom detta beteende har gjort forskare förvirrade i många år.

Det senaste decenniet har sett stora genombrott inom teoretisk forskning inom materialvetenskap. Forskare har bestämt vilka beräkningsmetoder som är mest exakta, och har fått tillgång till tillräckligt kraftfulla superdatorer för att kunna utföra beräkningarna.

"Det har varit ett stort hål i vår kunskap i det specifika fallet om hur magnetiska material fungerar vid höga temperaturer, säger Björn Alling, forskare i teoretisk fysik vid LiU.

Det var nästan fyra år sedan, i slutet av 2014, att han fick ett stort forskningsbidrag från Vetenskapsrådet för att försöka fylla detta hål, i samarbete med forskare vid Max-Planck-Institut für Eisenforschung i Düsseldorf. Björn Alling tillbringade två år på institutet, världsledande inom forskning om magnetiska material.

Samarbetet har varit framgångsrikt och resulterat i en artikel i den prestigefyllda tidningen Fysiska granskningsbrev , där gruppen beskriver en ny metod som har gjort det möjligt att beräkna exakt vad som händer i kromnitrid när den värms upp. Äntligen har vi teoretiska beräkningar som överensstämmer med materialets beteende.

"Vi vill förstå materialen, oberoende av deras temperatur, tryck och sammansättning, och kunna beskriva dem exakt. De teoretiska beräkningarna och de metoder vi har utvecklat ger en stabil grund att stå på när vi utvecklar industriella applikationer. Det hade varit omöjligt att bestämma denna grund genom experiment, säger Björn Alling.

Metoden de har utvecklat ger resultat med hög noggrannhet, och det betyder att beräkningarna är mycket krävande.

I fasta material, atomerna är arrangerade i en välorganiserad kristallstruktur, på bestämda avstånd från varandra. När materialet värms upp, atomerna börjar vibrera.

Varje atom i ett magnetiskt material innehåller vad man kan tänka sig som en liten kompassnål, en dipol med en positiv och en negativ ände. I klassiska magnetiska material, som järn, nålarna pekar alla i samma riktning, vilket ger materialet dess typiska magnetiska egenskaper. När materialet värms upp, dock, kompassnålarna börjar rotera på ett oförutsägbart sätt.

Det finns metoder för att beräkna och simulera vibrationer och rotationer med hög noggrannhet separat, men de förutspår att förmågan att leda värme gradvis kommer att minska. Detta är inte vad som händer för kromnitrid.

"Vi har nu utvecklat en metod där vi beskriver hur atomvibrationerna förändras på en femtosekunders tidsskala, beräkna krafterna i atomerna med hjälp av kvantmekaniska metoder. Till detta lägger vi till beräkningar av spindynamik - hur mycket magnetismen i atomen roterar i en femtosekund. Vi lägger sedan tillbaka denna beräkning till den dynamiska modellen för hur atomer vibrerar, ”Förklarar Björn Alling.

Metoden var framgångsrik.

"Kromnitrid är anmärkningsvärt för sin låga värmeledning vid något förhöjda temperaturer. Vi har nu kunnat visa varför, och våra simuleringar förutsäger beteendet exakt.

Ingen har lyckats göra detta tidigare. "

Beräkningen och simuleringen av vad som händer i materialet under 30 pikosekunder kräver mer än en månads processortid för de resurser som finns tillgängliga för forskarna vid National Supercomputer Center vid LiU och i Düsseldorf

"Vi har kunnat kombinera en djup förståelse av de grundläggande fysiska och kvantfenomenen, och vi har haft tillgång till tillräcklig datorkraft. Det kommer att dröja innan metoden används i stor utsträckning inom vetenskap, eftersom beräkningarna är så exakta och krävande, men vi måste använda denna metod för att göra framsteg, säger Björn Alling.

Nästa steg blir att tillämpa metoden på järn och dess legeringar. Detta är ett av de äldsta materialen som använts genom mänsklighetens historia, men vi har fortfarande ingen djup förståelse för det.

"Detta är teoretisk forskning med stora praktiska tillämpningar, inte minst inom stålindustrin, säger Björn Alling.