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磁性和自旋

磁性和自旋

计算算法对磁性材料的晶体结构进行预测

22 Apr 2020
磁各向异性常数图K1),饱和磁化强度(Ms) and evolution of hardness function from 0 to 4.5. Contour dashed-lines represent solutions 在 steps of 0.5 from 0.0 to 4.5. 的 predicted magnetic materials for different families of 铁Cr, 铁Mn, 铁Co and 铁Ni are depicted with different colored symbols. 的 promising phase of 铁Ni, a low energy polymorph (best), possesses saturation magnetization and anisotropy that makes it comparable to well-known permanents magnets (depicted 在 black triangles). " />
磁各向异性常数图K1),饱和磁化强度(Ms)和硬度函数从0到4.5的演变(单击图像可查看完整说明)。

何塞·弗洛雷斯·利瓦斯 罗马萨皮恩扎大学的研究人员开发了一种方法来预测电磁系统的特性 从头开始 方法。

研究是 完整报告物理学杂志:凝聚态,由IOP 出版出版,该书也出版 物理世界。在这次采访中,Flores-Livas描述了这项工作。

研究的动机是什么?

动机是针对一类由于其复杂性而被社区研究不足的材料:磁性材料,开发一种基于结构预测方法的计算算法。

这些是广泛的材料,其特征在于存在电子自旋自由度。在磁性材料的一般分类中,有两个大的细分:软磁性材料和硬磁性材料。软磁性材料不会保持磁化,而硬磁性材料仍然会磁化。硬磁体(或永磁体)是现代技术中必不可少的组成部分,广泛用于从计算机,家用电器到医疗设备的许多电气和电子设备。但是,它们在新兴应用中也至关重要。在电动汽车和风力涡轮机中。

问题在于我们主要依赖于三类永磁体。这项工作的目的之一是进一步了解永磁体的晶体结构与其磁性之间的微妙平衡。

您在工作中做了什么?

我们的研究包括将最小跳变方法(用于结构预测)与最新的第一原理磁学计算相结合,以扫描潜在的新型永磁体。

我们面临许多技术限制。模拟单元的大小,收敛问题以及材料的复杂性始终是一个重要的限制因素。这是一项计算/理论工作,我们必须作几个近似处理,并考虑简单的,众所周知的情况,然后逐步解决最具挑战性的磁性材料。工作的一个创新部分是我们如何结合两级(自旋和自旋非极化)计算,以克服苛刻的计算开销。使这项工作对其他研究有趣的另一点是它是如何自动化的,它为大量的磁性系统在相同的理论基础上提供了可靠的结果。在这项研究中,我们研究了由3d过渡金属制成的二元相,例如FeNi,FeCo,FeMn和FeCr。

什么是最有趣和/或重要的发现?

除了发达的计算设备外,最惊人的结果之一就是我们可以预测出FeNi的令人兴奋的阶段。关于FeNi的四方晶相显示出许多重要的推测作为硬磁体具有重要的能力。但是,此阶段仅在陨石中发现,从实验上讲,在实验室中难以合成。

在这项工作中,我们报告了一种晶体结构,该晶体结构的能量低于四方晶相,并且具有饱和磁化强度(Ms)1.2 M A / m)和1200 kJ / m以上的磁各向异性能(MAE)3。与最先进的硬磁铁Nd相比214B(Ms 1.28 M A / m和MAE 4900 kJ / m3)。

从理论上讲,该系统可能是永磁体应用的理想选择,尤其是考虑到它不含稀土金属并且由丰富的元素制成。因此,我们的研究结果吸引了实验同事进一步探索FeNi的这种低能多晶型物。

为什么这项研究意义重大?

该研究意义重大,因为它表明有可能“access”磁性材料从计算的角度来看。在社区中存在一个误解,即第一性原理的计算不能完全描述这些系统。尽管这对于特定类型的交互(高度相关的系统)是有根据的,但还有其他类型的系统是磁性的,并且可以使用Kohn-Sham密度泛函理论进行准确描述。

我们希望这项工作将进一步激发磁性材料的研究,从理论到计算的发展再到进一步的实验研究。这项研究的重要部分是计算方法对其他类型应用程序的可移植性。将来,由于磁各向异性能的出现,我们可以预见对拓扑材料的研究。

您下一步打算做什么?

如前所述,对拓扑材料和磁学的研究为发现令人兴奋的现象提供了广阔的市场。但是,短期内,我们下一步的计划是将研究范围扩展到显示反铁磁性的材料。

但是,在达到该阶段之前必须进行一系列的开发。例如,我们需要找到一种方法来进一步减少计算开销,并且找到一种无需使用大型超级电池即可初始化反铁磁解决方案的明智方法。

这是我们研究的下一步,我们希望尽快解决这一具有挑战性的问题。

报告了研究的全部结果物理学杂志:凝聚态.

版权©2020年由IOP 出版 Ltd和个人贡献者