Multiskalsimuleringar av magnetiseringsdynamik, från utveckling till tillämpning

Projekttitel: Multiskalsimuleringar av magnetiseringsdynamik, från utveckling till tillämpning
Huvudsökande: Olle Eriksson, avdelningen för materialteori
Medsökande: Manuel Pereiro och Philipp Rybakov, avdelningen för materialteori
Beviljade medel: 3 900 000 SEK för perioden 2024-2027

De atomkärnor och elektroner som bygger upp material (ett material kan vara den metalliska skenan på en skridsko, ramen till din cykel eller gummit i cykelhjulet) växelverkar, via Coulombs lag, på ett mycket komplext sätt. Komplexiteten beror på att ett väldigt stort antal atomkärnor och elektroner (i storleksordning Avogadros tal) bildar de material vi är vana vid att använda dagligen. Trots att denna växelverkan är mycket komplex visar all forskning att det är just denna växelverkan som är ansvarig för att atomer binds samman och bildar kristallina material. När elektronerna rör sig bland de tyngre atomkärnorna i ett material vinner de energi i förhållande till om de skulle röra sig runt isolerade atomkärnor. På detta sätt bildar elektronerna det ’kitt’ som håller atomkärnorna samman. En exakt beskrivning av elektronstrukturen hos material har ännu inte visat sig möjlig, men approximativa metoder (baserade på s.k. täthetsfunktionalteori –Nobelpris i Kemi 1998 till Walter Kohn) visar sig kunna beskriva ’elektronkittet’ mycket noggrant.

Med dagens moderna datorer kan man lösa numeriskt de ekvationer som är centrala för täthetsfunktionalteorin och man kan reproducera, med 5-10% noggrannhet, jämviktsvolymer, hårdhet, fas-stabilitet och elastiska egenskaper hos i stort sett alla materialtyper. Ett annat sätt att uttrycka detta är att de interatomära krafterna, de krafter som håller atomkärnorna på plats i ett material, beskrivs mycket väl av täthetsfunktionalteorin. Eftersom atomkärnornas position bestäms av att kraften på dem är noll, så bestäms ett materials kristallina struktur av de interatomära krafterna, vilka i sin tur bestäms av elektronstrukturen. Elektronstrukturen ger information om interatomära krafter, och eftersom att man kan approximera atomkärnornas rörelse med Newtons ekvationer, är det möjligt att simulera mycket noggrant atomernas rörelse i ett material. Denna typ av vetenskap kallas molekyldynamik (MD), och representerar ett forskningsfält som intresserar sig för dynamiska processer hos kemiska bindningar och processer. På samma sätt kan man från täthetsfunktionalteori härleda de rörelseekvationer som beskriver dynamiken hos de magnetiska momenten i ett material. Detta kallas spinn-dynamik, eller atomär spinn-dynamik. Detta projektet syftar att vidareutveckla detta forskningsfält, med resultat att ett kraftfullt, flexibelt simuleringsverktyg realiseras och som kan hantera multiskalberäkningar, där flera längd och tidsskalor blir möjliga att simulera. Projektet syftar även till att besvara frågor som för tillfället är relevanta i magnetismsamfundet, t.ex. hur växelverkar magnetiska strukturer med icke-trivial topologi (t.ex. skyrmioner) med atomära defekter, och har denna växelverkan betydelse för den tekniska användbarheten hos magnetiska material.