Björn Alling, investigador en física teórica en la Universidad de Linköping, tiene, junto con sus compañeros, completó la tarea que le asignó el Consejo de Investigación Sueco en el otoño de 2014:descubrir qué sucede dentro de los materiales magnéticos a altas temperaturas.

Nitruro de cromo, CrN, es un material magnético utilizado en la industria como, entre otras cosas, un revestimiento de superficie dura. También es de interés para los investigadores, ya que es un mal conductor del calor a altas temperaturas, lo que lo hace adecuado para su uso en, por ejemplo, sistemas termoeléctricos. En tales sistemas, el material debe conducir corriente sin conducir calor.

El comportamiento del nitruro de cromo, sin embargo, es algo notable a temperaturas ligeramente más altas. Los nitruros son compuestos que contienen nitrógeno, NORTE, junto con otro elemento. La capacidad de la mayoría de los nitruros para conducir el calor disminuye lenta pero seguramente a medida que aumenta la temperatura. La conducción de calor del nitruro de cromo, a diferencia de, cae precipitadamente después de un aumento moderado de temperatura, y luego permanece en un nivel bajo constante, incluso cuando el material se calienta a 600 ° C. Los mecanismos detrás de este comportamiento han dejado a los investigadores perplejos durante muchos años.

La última década ha sido testigo de importantes avances en la investigación teórica en ciencia de materiales. Los investigadores han determinado qué métodos de cálculo son más precisos, y han obtenido acceso a supercomputadoras suficientemente potentes para poder realizar los cálculos.

"Ha habido un gran vacío en nuestro conocimiento en el caso particular de cómo funcionan los materiales magnéticos a altas temperaturas, "dice Björn Alling, investigador en física teórica en LiU.

Fue hace casi cuatro años, a finales de 2014, que se le concedió una importante subvención de investigación del Consejo de Investigación Sueco para intentar llenar este vacío, en colaboración con investigadores del Max-Planck-Institut für Eisenforschung en Düsseldorf. Björn Alling pasó dos años en el instituto, líder mundial en investigación de materiales magnéticos.

La colaboración ha sido exitosa y resultó en un artículo en la prestigiosa revista Cartas de revisión física , donde el grupo describe un nuevo método que le ha permitido calcular exactamente lo que sucede en el nitruro de cromo cuando se calienta. Por fin tenemos cálculos teóricos que concuerdan con el comportamiento del material.

"Queremos comprender los materiales, independientemente de su temperatura, presión y composición, y ser capaz de describirlos con precisión. Los cálculos teóricos y los métodos que hemos desarrollado proporcionan una base estable sobre la que basarse al desarrollar aplicaciones industriales. Habría sido imposible determinar esta base mediante experimentos, "dice Björn Alling.

El método que han desarrollado da resultados de alta precisión, y esto significa que los cálculos son muy exigentes.

En materiales sólidos, los átomos están dispuestos en una estructura cristalina bien organizada, a distancias definidas entre sí. A medida que se calienta el material, los átomos comienzan a vibrar.

Cada átomo de un material magnético contiene lo que se puede pensar como una pequeña aguja de brújula, un dipolo con un final positivo y negativo. En materiales magnéticos clásicos, como el hierro, todas las agujas apuntan en la misma dirección, lo que le da al material sus típicas propiedades magnéticas. A medida que se calienta el material, sin embargo, las agujas de la brújula comienzan a girar de manera impredecible.

Hay métodos disponibles para calcular y simular las vibraciones y rotaciones con alta precisión por separado, pero predicen que la capacidad de conducir el calor disminuirá gradualmente. Esto no es lo que sucede con el nitruro de cromo.

"Ahora hemos desarrollado un método en el que describimos cómo cambian las vibraciones atómicas en una escala de tiempo de femtosegundos, calcular las fuerzas en los átomos utilizando métodos de mecánica cuántica. A esto agregamos cálculos de la dinámica de espín:cuánto gira el magnetismo en el átomo en un femtosegundo. Luego volvemos a colocar este cálculo en el modelo dinámico de cómo vibran los átomos, "Explica Björn Alling.

El método tuvo éxito.

"El nitruro de cromo es notable por su baja conducción de calor a temperaturas ligeramente elevadas. Ahora hemos podido demostrar por qué, y nuestras simulaciones predicen el comportamiento con precisión.

Nadie ha logrado hacer esto anteriormente ".

El cálculo y simulación de lo que sucede en el material durante 30 picosegundos requiere más de un mes de tiempo de procesador para los recursos disponibles para los investigadores en el Centro Nacional de Supercomputación de LiU y en Düsseldorf.

"Hemos podido combinar una comprensión profunda de los fenómenos físicos y cuánticos fundamentales, y hemos tenido acceso a suficiente potencia informática. Pasará algún tiempo antes de que el método sea ampliamente utilizado en la ciencia, dado que los cálculos son tan precisos y exigentes, pero debemos utilizar este método para avanzar, "dice Björn Alling.

El siguiente paso será aplicar el método al hierro y sus aleaciones. Este es uno de los materiales más antiguos utilizados a lo largo de la historia de la humanidad. pero todavía no lo comprendemos en profundidad.

"Se trata de una investigación teórica con enormes aplicaciones prácticas, no menos importante en la industria del acero, "dice Björn Alling.