Bjorn Alling, ricercatore in fisica teorica presso l'Università di Linköping, ha, insieme ai suoi colleghi, ha portato a termine il compito affidatogli dal Consiglio svedese della ricerca nell'autunno del 2014:scoprire cosa succede all'interno dei materiali magnetici ad alte temperature.

nitruro di cromo, CrN, è un materiale magnetico utilizzato nell'industria come, tra l'altro, un rivestimento superficiale duro. Interessa anche i ricercatori, poiché è un cattivo conduttore di calore alle alte temperature, che lo rende adatto per l'uso in, Per esempio, sistemi termoelettrici. In tali sistemi, il materiale deve condurre corrente senza condurre calore.

Il comportamento del nitruro di cromo, però, è alquanto notevole a temperature leggermente più elevate. I nitruri sono composti che contengono azoto, N, insieme ad un altro elemento. La capacità della maggior parte dei nitruri di condurre il calore diminuisce lentamente ma inesorabilmente all'aumentare della temperatura. La conduzione del calore del nitruro di cromo, in contrasto, precipita precipitosamente dopo un moderato aumento della temperatura, e poi rimane ad un livello costantemente basso, anche se il materiale viene riscaldato a 600 °C. I meccanismi alla base di questo comportamento hanno lasciato perplessi i ricercatori per molti anni.

L'ultimo decennio ha visto importanti progressi nella ricerca teorica nella scienza dei materiali. I ricercatori hanno determinato quali metodi di calcolo sono più accurati, e hanno avuto accesso a supercomputer sufficientemente potenti per poter eseguire i calcoli.

"C'è stato un grosso buco nella nostra conoscenza nel caso particolare di come funzionano i materiali magnetici ad alte temperature, "dice Björn Alling, ricercatore in fisica teorica presso LiU.

Erano quasi quattro anni fa, alla fine del 2014, che ha ricevuto un'importante borsa di studio dal Consiglio svedese per la ricerca per tentare di colmare questo buco, in collaborazione con ricercatori del Max-Planck-Institut für Eisenforschung di Düsseldorf. Björn Alling ha trascorso due anni presso l'istituto, leader mondiale nella ricerca sui materiali magnetici.

La collaborazione ha avuto successo ed è sfociata in un articolo sulla prestigiosa rivista Lettere di revisione fisica , dove il gruppo descrive un nuovo metodo che gli ha permesso di calcolare esattamente cosa succede nel nitruro di cromo quando viene riscaldato. Finalmente abbiamo calcoli teorici che concordano con il comportamento del materiale.

"Vogliamo capire i materiali, indipendentemente dalla loro temperatura, pressione e composizione, ed essere in grado di descriverli accuratamente. I calcoli teorici e i metodi che abbiamo sviluppato forniscono una base stabile su cui stare quando si sviluppano applicazioni industriali. Sarebbe stato impossibile determinare questa base mediante esperimenti, "dice Björn Alling.

Il metodo che hanno sviluppato fornisce risultati di elevata precisione, e questo significa che i calcoli sono molto impegnativi.

Nei materiali solidi, gli atomi sono disposti in una struttura cristallina ben organizzata, a distanze definite l'uno dall'altro. Poiché il materiale viene riscaldato, gli atomi iniziano a vibrare.

Ogni atomo in un materiale magnetico contiene quello che può essere pensato come un minuscolo ago di bussola, un dipolo con un'estremità positiva e una negativa. Nei materiali magnetici classici, come il ferro, gli aghi puntano tutti nella stessa direzione, che conferisce al materiale le sue tipiche proprietà magnetiche. Poiché il materiale viene riscaldato, però, gli aghi della bussola iniziano a ruotare in modo imprevedibile.

Sono disponibili metodi per calcolare e simulare separatamente le vibrazioni e le rotazioni con elevata precisione, ma prevedono che la capacità di condurre il calore diminuirà gradualmente. Questo non è ciò che accade per il nitruro di cromo.

"Ora abbiamo sviluppato un metodo in cui descriviamo come le vibrazioni atomiche cambiano su una scala temporale di femtosecondi, calcolo delle forze negli atomi mediante metodi quantomeccanici. A questo aggiungiamo i calcoli della dinamica di spin:quanto il magnetismo nell'atomo ruota in un femtosecondo. Reinseriamo quindi questo calcolo nel modello dinamico di come vibrano gli atomi, " spiega Björn Alling.

Il metodo ha avuto successo.

"Il nitruro di cromo è notevole per la sua bassa conduzione del calore a temperature leggermente elevate. Ora siamo stati in grado di mostrare perché, e le nostre simulazioni prevedono con precisione il comportamento.

Nessuno è riuscito a farlo prima".

Il calcolo e la simulazione di ciò che accade nel materiale durante 30 picosecondi richiede più di un mese di tempo di elaborazione per le risorse a disposizione dei ricercatori presso il Centro Nazionale Supercomputer alla LiU e a Düsseldorf

"Siamo stati in grado di combinare una profonda comprensione dei fenomeni fisici e quantistici fondamentali, e abbiamo avuto accesso a una potenza del computer sufficiente. Ci vorrà del tempo prima che il metodo venga ampiamente utilizzato nella scienza, poiché i calcoli sono così accurati e impegnativi, ma dobbiamo usare questo metodo per fare progressi, "dice Björn Alling.

Il prossimo passo sarà applicare il metodo al ferro e alle sue leghe. Questo è uno dei materiali più antichi utilizzati nella storia umana, ma ancora non ne abbiamo una comprensione profonda.

"Questa è una ricerca teorica con enormi applicazioni pratiche, non da ultimo nel settore siderurgico, "dice Björn Alling.