Enthüllung der inneren Funktion von magnetischen Materialien

Björn Alling, Forscher für theoretische Physik an der Universität Linköping, hat zusammen mit seinen Kollegen die ihm vom schwedischen Forschungsrat im Herbst 2014 übertragene Aufgabe erfüllt: Erfahren Sie, was in magnetischen Materialien bei hohen Temperaturen passiert.

Chromnitrid, CrN, ist ein magnetischer Werkstoff, der in der Industrie unter anderem als harte Oberflächenbeschichtung eingesetzt wird. Es ist auch für Forscher von Interesse, da es ein schlechter Wärmeleiter bei hohen Temperaturen ist, was es für den Einsatz beispielsweise in thermoelektrischen Systemen geeignet macht. In solchen Systemen soll das Material Strom führen, ohne Wärme zu leiten.

Das Verhalten von Chromnitrid ist jedoch bei etwas höheren Temperaturen etwas bemerkenswert. Nitride sind Verbindungen, die Stickstoff, N, zusammen mit einem anderen Element enthalten. Die Fähigkeit der meisten Nitride, Wärme zu leiten, nimmt mit steigender Temperatur langsam aber sicher ab. Die Wärmeleitung von Chromnitrid hingegen fällt nach einem moderaten Temperaturanstieg stark ab und bleibt dann auf einem konstant niedrigen Niveau, auch wenn das Material auf 600 °C erhitzt wird. Die Mechanismen, die hinter diesem Verhalten stehen, haben die Forscher viele Jahre lang verblüfft.

In den letzten zehn Jahren gab es große Durchbrüche in der theoretischen Forschung in der Materialwissenschaft. Die Forscher haben festgestellt, welche Berechnungsmethoden am genauesten sind, und haben Zugang zu ausreichend leistungsfähigen Supercomputern erhalten, um die Berechnungen durchführen zu können.

„Es gibt eine große Wissenslücke im speziellen Fall, wie magnetische Materialien bei hohen Temperaturen funktionieren“, sagt Björn Alling, Forscher für theoretische Physik an der LiU.

Vor fast vier Jahren, Ende 2014, erhielt er vom Schwedischen Forschungsrat in Zusammenarbeit mit Forschern des Max-Planck-Instituts für Eisenforschung in Düsseldorf einen großen Forschungszuschuss, um zu versuchen, diese Lücke zu schließen. Björn Alling verbrachte zwei Jahre am Institut, einem der weltweit führenden Anbieter in der magnetischen Materialforschung.

Die Zusammenarbeit war erfolgreich und führte zu einem Artikel in der renommierten Zeitschrift Physical Review Letters, in dem die Gruppe eine neue Methode beschreibt, die es ihr ermöglicht hat, genau zu berechnen, was mit Chromnitrid passiert, wenn es erhitzt wird. Endlich haben wir theoretische Berechnungen, die mit dem Verhalten des Materials übereinstimmen.

„Wir wollen die Materialien unabhängig von ihrer Temperatur, ihrem Druck und ihrer Zusammensetzung verstehen und genau beschreiben können. Die theoretischen Berechnungen und die von uns entwickelten Methoden bilden eine stabile Grundlage für die Entwicklung industrieller Anwendungen. Es wäre unmöglich gewesen, diese Basis experimentell zu ermitteln“, sagt Björn Alling.

Die von ihnen entwickelte Methode liefert Ergebnisse mit hoher Genauigkeit, was bedeutet, dass die Berechnungen sehr anspruchsvoll sind.

In festen Materialien sind die Atome in einer gut organisierten Kristallstruktur in bestimmten Abständen zueinander angeordnet. Beim Erwärmen des Materials beginnen die Atome zu schwingen.

Jedes Atom in einem magnetischen Material enthält das, was man sich als eine winzige Kompassnadel vorstellen kann, einen Dipol mit einem positiven und einem negativen Ende. Bei klassischen magnetischen Materialien wie Eisen weisen die Nadeln alle in die gleiche Richtung, was dem Material seine typischen magnetischen Eigenschaften verleiht. Durch die Erwärmung des Materials beginnen sich die Kompassnadeln jedoch auf unvorhersehbare Weise zu drehen.

Es stehen Methoden zur Verfügung, um die Vibrationen und Rotationen separat mit hoher Genauigkeit zu berechnen und zu simulieren, aber sie sagen voraus, dass die Fähigkeit, Wärme zu leiten, allmählich abnimmt. Das ist nicht das, was bei Chromnitrid passiert.

„Wir haben nun ein Verfahren entwickelt, bei dem wir beschreiben, wie sich die atomaren Schwingungen im Femtosekundentakt verändern, indem wir die Kräfte in den Atomen mit quantenmechanischen Methoden berechnen. Dazu kommen Berechnungen der Spin-Dynamik – wie stark sich der Magnetismus im Atom in einer Femtosekunde dreht. Wir setzen diese Berechnung dann wieder in das dynamische Modell ein, wie Atome schwingen“, erklärt Björn Alling.

Die Methode war erfolgreich.

„Chromnitrid zeichnet sich durch eine geringe Wärmeleitung bei leicht erhöhten Temperaturen aus. Wir konnten nun zeigen, warum, und unsere Simulationen sagen das Verhalten genau voraus.

Das hat bisher noch niemand geschafft.“

Die Berechnung und Simulation dessen, was im Material während 30 Pikosekunden passiert, erfordert mehr als einen Monat Prozessorzeit für die den Forschern im Nationalen Supercomputerzentrum der LiU und in Düsseldorf zur Verfügung stehenden Ressourcen.

„Wir konnten ein tiefes Verständnis der grundlegenden physikalischen und quantenmechanischen Phänomene kombinieren, und wir hatten Zugang zu ausreichender Computerleistung. Es wird einige Zeit dauern, bis die Methode in der Wissenschaft weit verbreitet ist, da die Berechnungen so genau und anspruchsvoll sind, aber wir müssen diese Methode nutzen, um Fortschritte zu erzielen“, sagt Björn Alling.

Der nächste Schritt wird die Anwendung des Verfahrens auf Eisen und seine Legierungen sein. Dies ist eines der ältesten Materialien der Menschheitsgeschichte, aber wir haben immer noch kein tiefes Verständnis dafür.

„Das ist theoretische Forschung mit riesigen praktischen Anwendungen, nicht zuletzt in der Stahlindustrie“, sagt Björn Alling.

Mehr Informationen:
Irina Stockem et al. Anomale Phononenlebensdauerverkürzung bei paramagnetischem CrN verursacht durch Spin-Gitter-Kopplung: Eine kombinierte Spin and Ab Initio Molecular Dynamics Study, Physical Review Letters (2018). DOI: 10.1103/PhysRevLett.121.125902

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