Моделирование магнитных материалов

Не так давно методы моделирования и оценки магнитных материалов были слишком упрощенными, чтобы точно воспроизвести все данные, полученные в экспериментах. Но в 1995 году исследователи из Лаборатории Эймса во главе с Брюсом Хармоном разработали вычислительную технику «спиновой динамики», которая может быть использована для точного представления и оценки флуктуаций атомных моментов (магнитных ориентаций) в твердых магнитных материалах при различных температурах. Среди его преимуществ, метод может быть использован для расчета реалистичных размеров систем при температурах, представляющих практический и научный интерес. Используя этот метод, ученые впервые теоретически определили магнитные моменты в железе и никеле при высоких температурах, даже выше ключевой температуры, при которой магнитные моменты изменяются по величине и указывают в случайных направлениях. Текущие исследования сосредоточены на том, как и почему конкретные дефекты в постоянных магнитах имеют решающее значение для определения желаемых магнитных свойств. Национальная лаборатория Ок-Риджа и сотрудники использовали эту технику в рекордных вычислениях суперкомпьютера.

Мы предлагаем создавать модельные материалы для изучения фундаментальных проблем кооперативного магнетизма с использованием двух различных синтетических стратегий. Одна линия атаки состоит в том, чтобы подготовить расширенные ионные соединения, которые имеют желаемую решетку магнитных атомов; альтернативно, мы можем построить магнит из молекулярных единиц, направляя архитектуру через направленность связи этих единиц.

В обоих случаях целевые решетки имеют низкоразмерную и/или фрустрируемую топологию и предназначены для исследования последних разработок в области фундаментального магнетизма, которые предполагают, что такие материалы могут иметь новые магнитные основные состояния и возбуждения, и, в частности, характер спиновой жидкости. Мы также предлагаем подготовить высокоспиновые наноразмерные металлические кластеры и изучить релаксацию их намагниченности; это представляет значительный фундаментальный интерес как пример макроскопического процесса, который может управляться квантово-механическим туннелированием, а также может иметь практическое значение как основа устройства молекулярной магнитной памяти.

Вся эта работа требует измерений магнитной восприимчивости, зависящих от времени и частоты, поэтому мы запрашиваем модернизацию существующего аппарата магнитометра постоянного тока SQUID, чтобы можно было выполнять измерения переменного тока, и предлагаем поддерживать открытый доступ к этому оборудованию, укрепляя нашу неформальную службу магнитных характеристик.

Научное влияние: Спиновая динамика является значительным вкладом в основы новой теории динамики магнитных моментов при конечной температуре и в ответ на внешние прикладные поля. Это позволяет ученым моделировать свойства материала при комнатной температуре, при которой обычно используются магниты.

Социальное воздействие: металлический магнетизм является ключом ко многим технологиям, включая магнитные устройства для хранения данных и производства электроэнергии. Точное моделирование переключения компьютерных бит имеет важное значение для проектирования будущих компьютерных дисков высокой плотности, а возможность оптимизации высокотемпературных магнитных материалов приведет к более энергоэффективным двигателям и трансформаторам.