Modélisation des matériaux magnétiques

Il n'y a pas si longtemps, les techniques de modélisation et d'évaluation des matériaux magnétiques étaient trop simplistes pour reproduire avec précision toutes les données obtenues lors d'expériences. Mais en 1995, des chercheurs du laboratoire Ames, dirigé par Bruce Harmon, ont développé une technique de calcul ''dynamique de spin'' qui peut être utilisée pour représenter et évaluer avec précision les fluctuations des moments atomiques (orientations magnétiques) dans des matériaux magnétiques solides à différentes températures. Parmi ses avantages, la méthode peut être utilisée pour faire des calculs de systèmes de taille réaliste à des températures d'intérêt pratique et scientifique. En utilisant cette technique, les scientifiques ont pour la première fois déterminé théoriquement les moments magnétiques dans le fer et le nickel à haute température, même au-dessus d'une température clé à laquelle les moments magnétiques varient en magnitude et pointent dans des directions aléatoires. Les études actuelles se concentrent sur comment et pourquoi des défauts spécifiques dans les aimants permanents sont cruciaux pour déterminer les propriétés magnétiques souhaitables. Le laboratoire national d'Oak Ridge et ses collaborateurs ont utilisé la technique dans un calcul de supercalculateur record.

Nous proposons de produire des matériaux modèles pour étudier les problèmes fondamentaux du magnétisme coopératif en utilisant deux stratégies synthétiques différentes. Une ligne d'attaque consiste à préparer des composés ioniques prolongés qui ont le réseau souhaité d'atomes magnétiques; alternativement, nous pouvons construire le magnétique à partir d'unités moléculaires, diriger l'architecture à travers la directionnalité de liaison de ces unités.

Dans les deux cas, les réseaux cibles ont une topologie de faible dimension et/ou frustrée, et sont conçus pour sonder les développements récents du magnétisme fondamental qui suggèrent que ces matériaux peuvent avoir de nouveaux états de sol magnétiques et des excitations, et en particulier caractère fluide de spin. Nous proposons également de préparer des amas métalliques nanométriques à haute spin et d'étudier la relaxation de leur aimantation; ceci est d'un intérêt fondamental considérable en tant qu'exemple de processus macroscopique qui peut être contrôlé par le tunnel mécanique quantique; il peut également avoir une signification pratique en tant que base d'un dispositif de mémoire magnétique moléculaire.

Tous ces travaux nécessitent des mesures de susceptibilité magnétique dépendantes du temps et de la fréquence, nous demandons donc une mise à niveau de l'appareil magnétomètre DC SQUID existant pour permettre d'effectuer des mesures de courant alternatif, et proposer de soutenir le libre accès à ces équipements, en renforçant notre service de caractérisation magnétique informelle.

Impact scientifique: L'approche de la dynamique du spin est une contribution significative aux fondements d'une nouvelle théorie de la dynamique des moments magnétiques à température finie et en réponse aux champs appliqués externes. Il permet aux scientifiques de modéliser les propriétés des matériaux à température ambiante, auxquelles des aimants sont généralement utilisés.

Impact social: le magnétisme métallique est la clé de nombreuses technologies, y compris le stockage de données magnétiques et les dispositifs de production d'énergie électrique. Une modélisation précise de la commutation de bits par ordinateur est essentielle pour la conception des futurs disques informatiques haute densité, et la capacité d'optimiser les matériaux magnétiques à haute température conduira à des moteurs et des transformateurs plus écoénergétiques.