Björn Alling, pesquisador em física teórica na Linköping University, tem, junto com seus colegas, completou a tarefa dada a ele pelo Conselho de Pesquisa da Suécia no outono de 2014:descobrir o que acontece dentro de materiais magnéticos em altas temperaturas.

Nitreto de cromo, CrN, é um material magnético usado na indústria como, entre outras coisas, um revestimento de superfície dura. Também é de interesse para pesquisadores, uma vez que é um mau condutor de calor em altas temperaturas, o que o torna adequado para uso em, por exemplo, sistemas termoelétricos. Em tais sistemas, o material deve conduzir corrente sem conduzir calor.

O comportamento do nitreto de cromo, Contudo, é algo notável em temperaturas ligeiramente mais altas. Os nitretos são compostos que contêm nitrogênio, N, junto com um outro elemento. A capacidade da maioria dos nitretos de conduzir calor diminui lentamente, mas com segurança, à medida que a temperatura aumenta. A condução de calor do nitreto de cromo, em contraste, cai precipitadamente após um aumento moderado de temperatura, e então permanece em um nível baixo constante, mesmo quando o material é aquecido a 600 ° C. Os mecanismos por trás desse comportamento deixaram os pesquisadores perplexos por muitos anos.

A última década viu grandes avanços na pesquisa teórica em ciência dos materiais. Os pesquisadores determinaram quais métodos de cálculo são mais precisos, e obtiveram acesso a supercomputadores suficientemente poderosos para realizar os cálculos.

"Tem havido um grande buraco em nosso conhecimento no caso particular de como os materiais magnéticos funcionam em altas temperaturas, "diz Björn Alling, pesquisador em física teórica na LiU.

Foi quase quatro anos atrás, no final de 2014, que ele foi premiado com uma bolsa de pesquisa importante do Conselho de Pesquisa Sueco para tentar preencher esta lacuna, em colaboração com pesquisadores do Max-Planck-Institut für Eisenforschung em Düsseldorf. Björn Alling passou dois anos no instituto, líder mundial em pesquisa de materiais magnéticos.

A colaboração foi bem-sucedida e resultou em um artigo na prestigiosa revista. Cartas de revisão física , onde o grupo descreve um novo método que permitiu calcular exatamente o que acontece no nitreto de cromo quando é aquecido. Por fim temos cálculos teóricos que concordam com o comportamento do material.

“Queremos entender os materiais, independentemente de sua temperatura, pressão e composição, e ser capaz de descrevê-los com precisão. Os cálculos teóricos e os métodos que desenvolvemos fornecem uma base estável para se apoiar no desenvolvimento de aplicações industriais. Teria sido impossível determinar essa base por meio de experimentos, "diz Björn Alling.

O método que desenvolveram dá resultados de alta precisão, e isso significa que os cálculos são muito exigentes.

Em materiais sólidos, os átomos estão dispostos em uma estrutura de cristal bem organizada, a distâncias definidas um do outro. À medida que o material é aquecido, os átomos começam a vibrar.

Cada átomo em um material magnético contém o que pode ser pensado como uma minúscula agulha de bússola, um dipolo com uma extremidade positiva e outra negativa. Em materiais magnéticos clássicos, como o ferro, as agulhas apontam todas na mesma direção, que dá ao material suas propriedades magnéticas típicas. À medida que o material é aquecido, Contudo, as agulhas da bússola começam a girar de maneira imprevisível.

Métodos estão disponíveis para calcular e simular as vibrações e rotações com alta precisão separadamente, mas eles predizem que a capacidade de conduzir calor diminuirá gradualmente. Não é o que acontece com o nitreto de cromo.

"Agora desenvolvemos um método no qual descrevemos como as vibrações atômicas mudam em uma escala de tempo de femtossegundos, calcular as forças nos átomos usando métodos de mecânica quântica. A isso adicionamos cálculos de dinâmica de spin - quanto o magnetismo no átomo gira em um femtossegundo. Em seguida, colocamos esse cálculo de volta no modelo dinâmico de como os átomos vibram, "Björn Alling explica.

O método deu certo.

"O nitreto de cromo é notável por sua baixa condução de calor a temperaturas ligeiramente elevadas. Agora podemos mostrar por quê, e nossas simulações prevêem o comportamento com precisão.

Ninguém conseguiu fazer isso antes. "

O cálculo e simulação do que acontece no material durante 30 picossegundos requer mais de um mês de tempo de processador para os recursos disponíveis para os pesquisadores no Centro Nacional de Supercomputadores em LiU e em Düsseldorf

"Conseguimos combinar uma compreensão profunda dos fenômenos físicos e quânticos fundamentais, e tivemos acesso a poder de computador suficiente. Levará algum tempo até que o método seja amplamente utilizado na ciência, uma vez que os cálculos são tão precisos e exigentes, mas devemos usar este método para fazer progresso, "diz Björn Alling.

O próximo passo será aplicar o método ao ferro e suas ligas. Este é um dos materiais mais antigos usados ​​ao longo da história da humanidade, mas ainda não temos um entendimento profundo sobre isso.

"Esta é uma pesquisa teórica com enormes aplicações práticas, não menos importante na indústria do aço, "diz Björn Alling.