Funcionament intern dels materials magnètics.

Björn Alling, investigador de física teòrica de la Universitat de Linköping, juntament amb els seus col·legues,  han completat la tasca que se li va atorgar en el Consell de Recerca Suec a la tardor del 2014: esbrinar què passa a l'interior dels materials magnètics a altes temperatures.

https://3c1703fe8d.site.internapcdn.net/newman/csz/news/800/2018/5be42b4ee7a2e.jpg

El nitrur de crom, CrN, és un material magnètic utilitzat en la indústria com, entre altres coses, un revestiment de superfície dura. També és d'interès per als investigadors, ja que és un mal conductor de calor a altes temperatures, el que el fa adequat per a ser utilitzat en, per exemple, sistemes termoelèctrics. 

https://3c1703fe8d.site.internapcdn.net/newman/gfx/news/hires/2017/
39-researcherse.jpg

Tanmateix, el comportament del nitrur de crom és bastant notable a temperatures lleugerament superiors. Les nitril·les són compostos que contenen nitrogen, N, juntament amb un altre element. La capacitat de la majoria dels nitrurats per dur a terme calor, disminueix lentament, segurament a mesura que augmenta la temperatura. La conducció de calor del nitrur de crom, per contra, cau precipitadament després d'un augment moderat de la temperatura, i es manté a un baix nivell constant, fins i tot quan el material s'escalfa a 600 °C. Els mecanismes d'aquest comportament han deixat als investigadors perplexos durant molts anys.

Durant l'última, dècada han tingut importants avenços en la investigació teòrica de la ciència dels materials. Els investigadors han determinat quins mètodes de càlcul són més precisos i han obtingut accés pels supercomputadors per poder fer càlculs prou potents .

Hi ha hagut un gran forat en el  coneixement sobre com funcionen els materials magnètics a altes temperatures

http://www.engineersjournal.ie/wp-content/uploads/2017/05/magnet.jpg

Fa gairebé quatre anys, a finals del 2014,  es va concedir una important beca de recerca del Consell de Recerca Suec per intentar cobrir aquest forat, en col·laboració amb investigadors del Max-Planck-Institut für Eisenforschung de Düsseldorf. Björn Alling va passar dos anys a l'institut, un líder mundial en recerca de materials magnètics.

La col·laboració ha tingut èxit i ha donat lloc a un article de la prestigiosa revista Physical Review Letters, on el grup descriu un nou mètode que  ha permès calcular exactament el que succeeix en el nitrur de crom quan s'escalfa. Per fi es tenen càlculs teòrics que coincideixen amb el comportament del material.

Es vol comprendre els materials, independentment de la seva temperatura, pressió i composició, i així, poder-los descriure amb precisió. Els càlculs teòrics i els mètodes que s'han desenvolupat ofereixen una base estable per mantenir-se al dia en el desenvolupament d'aplicacions industrials. 

El mètode que s'ha desenvolupat, dóna resultats d'alta precisió, i això significa que els càlculs són molt exigents.

https://3c1703fe8d.site.internapcdn.net/newman/gfx/news/hires/2013/jhghukhl.jpg

En materials sòlids, els àtoms estan disposats en una estructura de cristall ben organitzada, a distàncies definides entre si. A mesura que s'escalfa el material, els àtoms comencen a vibrar.

Cada àtom d'un material magnètic conté el que es pot considerar com una agulla  diminuta, un dipol amb un final positiu i un final negatiu. En els materials magnètics clàssics, com el ferro, les agulles apunten en la mateixa direcció, cosa que dóna al material les seves propietats magnètiques típiques. Mentre el material s'escalfa, però, les agulles de la brúixola comencen a girar de forma imprevisible.

Hi ha mètodes disponibles per calcular i simular les vibracions i rotacions amb una gran precisió per separat, però prediuen que la capacitat de generar calor disminueixi gradualment. Això no és el que passa amb el nitrur de crom.

S'ha desenvolupat un mètode en el qual es descriu com canvien les vibracions atòmiques en una escala de temps de femtosegons, calculant les forces dels àtoms utilitzant mètodes mecànics quàntics. A això cal afegir càlculs de la dinàmica del spin: quant el magnetisme en l'àtom gira en un femtosegon. Posteriorment, es col·loca aquest càlcul al model dinàmic de com vibren els àtoms.

https://3c1703fe8d.site.internapcdn.net/newman/gfx/news/hires/2012/magneticvort.jpg

El mètode va tenir èxit ja que el nitrur de crom, és notable per la seva baixa conducció de calor a temperatures lleugerament elevades. Per això, s'ha pogut demostrar per què, i les simulacions prediuen el comportament amb precisió. De fet, ningú no ho havia aconseguit anteriorment.

El càlcul i la simulació del que passa en el material durant 30 picosegons requereix més d'un mes de temps de processador dels recursos disponibles per als investigadors del Centre Nacional de Supercomputadors de LiU a Düsseldorf

S'ha pogut combinar una profunda comprensió dels fenòmens físics i quàntics fonamentals, i s'ha tingut accés a una potència informàtica suficient. Passarà un temps abans que el mètode s'utilitzi àmpliament en la ciència, ja que els càlculs són molt precisos i exigents, però cal utilitzar aquest mètode per progressar.

El següent pas serà aplicar el mètode en el ferro i els seus aliatges. Aquest és un dels materials més antics utilitzats al llarg de la història de la humanitat, però encara no es te una comprensió profunda.

Aquesta és la investigació teòrica amb grans aplicacions pràctiques, sobretot en la indústria de l'acer.

Font: Universitat de Linköping