氮化鉻CrN是一種用于工業(yè)的磁性材料，包括硬質(zhì)表面涂層。研究人員也很感興趣，因?yàn)樗诟邷叵率且环N不良的導(dǎo)熱體，例如，這使得它適用于熱電系統(tǒng)。在這樣的系統(tǒng)中，材料傳導(dǎo)電流而不導(dǎo)熱。然而，在稍高的溫度下，氮化鉻的行為有些不同尋常。氮化物是含有氮、氮和另一種元素的化合物。大多數(shù)氮化物的導(dǎo)熱能力會(huì)慢慢降低，但隨著溫度的升高肯定會(huì)降低。相反，在適度升溫后，氮化鉻的熱導(dǎo)率急劇下降，然后即使當(dāng)材料被加熱到600時(shí)也保持在恒定的低水平。這種行為背后的機(jī)制多年來(lái)一直困擾著研究人員。近十年來(lái)，材料科學(xué)的理論研究取得了重大突破。研究人員已經(jīng)確定了哪種計(jì)算方法最準(zhǔn)確，并獲得了一臺(tái)足夠強(qiáng)大的超級(jí)計(jì)算機(jī)來(lái)執(zhí)行計(jì)算。
LiU的理論物理研究員bjrnalling說(shuō)：“在磁性材料如何在高溫下工作的特殊情況下，我們的知識(shí)存在很大的漏洞。大約四年前，也就是2014年底，他與杜塞爾多夫馬克斯普朗克科學(xué)研究所(Max-Planck-Institut freisenforschung)的研究人員合作，獲得了瑞典研究委員會(huì)的重要研究資助，試圖填補(bǔ)這一空白。bjrnalling在該研究所工作了兩年，是磁性材料研究領(lǐng)域的全球領(lǐng)導(dǎo)者。合作很成功，一篇文章發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》雜志上。該小組描述了一種在加熱過(guò)程中精確計(jì)算氮化鉻的新方法。最后，我們的理論計(jì)算與材料的行為一致。
“我們想了解材料，不管它們的溫度、壓力和成分如何，并且能夠準(zhǔn)確地描述它們。我們開(kāi)發(fā)的理論和方法為開(kāi)發(fā)工業(yè)應(yīng)用提供了穩(wěn)定的基礎(chǔ)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)確定這個(gè)基礎(chǔ)是不可能的，”bjrnalling說(shuō)。他們開(kāi)發(fā)的方法給出了高精度的結(jié)果，這意味著計(jì)算要求很高。在固體材料中，原子排列成有序的晶體結(jié)構(gòu)，它們之間有一定的距離。當(dāng)材料被加熱時(shí)，原子開(kāi)始振動(dòng)。磁性材料中的每個(gè)原子都包含一個(gè)指南針，可以認(rèn)為是一個(gè)微小的針，以及一個(gè)具有正端和負(fù)端的偶極子。在經(jīng)典的磁性材料中，如鐵，針都指向同一個(gè)方向，這使得材料具有典型的磁性。然而，當(dāng)材料被加熱時(shí)，指南針開(kāi)始以不可預(yù)測(cè)的方式旋轉(zhuǎn)。有些方法可以分別高精度地計(jì)算和模擬振動(dòng)和旋轉(zhuǎn)，但它們預(yù)測(cè)熱導(dǎo)率會(huì)逐漸降低。氮化鉻不是這種情況。
“我們現(xiàn)在已經(jīng)開(kāi)發(fā)了一種方法來(lái)描述原子振動(dòng)在飛秒時(shí)間尺度上的變化，并使用量子力學(xué)來(lái)計(jì)算原子中的力。為此，我們?cè)黾恿俗孕齽?dòng)力學(xué)的計(jì)算——原子中的磁力旋轉(zhuǎn)了多少，然后我們把這個(gè)計(jì)算放回到原子如何振動(dòng)的動(dòng)力學(xué)模型中，”bjrnalling解釋道。這種方法是成功的?！暗t因其在稍高溫度下的低熱導(dǎo)率而引人注目?，F(xiàn)在我們可以證明原因，我們的模擬可以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)行為。沒(méi)有人能成功做到這一點(diǎn)?！?
并且需要一個(gè)多月的處理器時(shí)間來(lái)計(jì)算和模擬30皮秒內(nèi)材料的出現(xiàn)，從而為L(zhǎng)iU國(guó)家超級(jí)計(jì)算機(jī)中心和杜塞爾多夫的研究人員提供資源?！拔覀円呀?jīng)能夠?qū)?duì)基礎(chǔ)物理和量子現(xiàn)象的深刻理解結(jié)合起來(lái)，我們已經(jīng)獲得了足夠的計(jì)算機(jī)能力。這種方法要在科學(xué)界廣泛應(yīng)用還需要一段時(shí)間，因?yàn)橛?jì)算是如此精確和苛刻，但我們必須用這種方法取得進(jìn)展，”bjrnalling說(shuō)。下一步是將這種方法應(yīng)用于鐵及其合金。這是人類歷史上最古老的材料之一，但我們對(duì)它的了解仍然不深?！斑@是一項(xiàng)理論研究，具有很大的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，尤其是在鋼鐵行業(yè)，”bjrnalling說(shuō)。
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