Les atomes à l'intérieur des matériaux ne sont pas toujours parfaitement ordonnés, comme habituellement représenté dans les modèles. En magnétique, matériaux ferroélectriques (ou présentant une polarité électrique) et alliages, il y a compétition entre l'arrangement aléatoire des atomes et leur désir de s'aligner selon un motif parfait. Le changement entre ces deux états, appelé transition de phase, se produit à une température spécifique.

Markus Eisenbach, un informaticien au laboratoire national d'Oak Ridge du ministère de l'Énergie, dirige un groupe de chercheurs qui ont entrepris de modéliser le comportement de ces matériaux en utilisant les premiers principes - de la physique fondamentale sans conditions prédéfinies qui correspondent aux données externes.

"Nous ne faisons qu'effleurer la surface de la compréhension de la physique sous-jacente de ces trois classes de matériaux, mais nous avons un excellent départ, " dit Eisenbach. " Les trois se chevauchent en fait en ce que leurs modes de fonctionnement impliquent le désordre, excitations thermiques et transitions de phase qui en résultent - du désordre à l'ordre - pour exprimer leur comportement."

Eisenbach dit qu'il est fasciné par "la façon dont le magnétisme apparaît puis disparaît à des températures variables. Le contrôle du magnétisme d'une direction à l'autre a des implications pour l'enregistrement magnétique, par exemple, et toutes sortes de machines électriques - par exemple, moteurs d'automobiles ou générateurs d'éoliennes."

Les modèles des chercheurs pourraient également aider à trouver de solides, aimants polyvalents qui n'utilisent pas d'éléments de terres rares comme ingrédient. Situé au bas du tableau périodique, ces 17 matériaux proviennent presque exclusivement de Chine et, en raison de leur source limitée, sont considérés comme critiques. Ils sont un pilier dans la composition de nombreux aimants puissants.

Eisenbach et ses collaborateurs, qui comprend son équipe ORNL et Yang Wang avec le Pittsburgh Supercomputing Center, sont en deuxième année d'un prix DOE INCITE (Innovative and Novel Computational Impact on Theory and Experiment) pour modéliser les trois matériaux au niveau atomique. Ils ont obtenu 100 millions d'heures de processeur sur le supercalculateur Titan d'ORNL et ont déjà des résultats impressionnants dans le domaine du magnétisme et des alliages. Titan est hébergé à l'Oak Ridge Leadership Computing Facility (OLCF), une installation utilisateur du DOE Office of Science.

Les chercheurs découvrent le comportement à l'échelle atomique en utilisant, a l'heure, un code hybride qui combine les méthodes Monte Carlo de Wang-Landau (WL) et de diffusion multiple localement auto-cohérente (LSMS). WL est une approche statistique qui échantillonne le paysage de l'énergie atomique en termes d'effets de température finis; LSMS détermine la valeur énergétique. Avec LSMS seul, ils ont calculé les propriétés magnétiques à l'état fondamental d'une particule de fer-platine. Et sans faire aucune hypothèse au-delà de la composition chimique, ils ont déterminé la température à laquelle l'alliage cuivre-zinc passe d'un état désordonné à un état ordonné.

De plus, Eisenbach a co-écrit deux articles sur la science des matériaux au cours de la dernière année, un en informatique de direction, l'autre une lettre en La nature , dans lequel lui et ses collègues ont rapporté avoir utilisé les coordonnées tridimensionnelles d'une vraie nanoparticule de fer-platine avec 6, fer 560 et 16, 627 atomes de platine pour trouver ses propriétés magnétiques.

« Nous combinons l'efficacité de l'échantillonnage WL, la vitesse du LSMS et la puissance de calcul de Titan pour fournir une description thermodynamique solide des premiers principes du magnétisme, " dit Eisenbach. " La combinaison nous donne également un traitement réaliste des alliages et des matériaux fonctionnels. "

Les alliages sont composés d'au moins deux métaux. Laiton, par exemple, est un alliage de cuivre et de zinc. Aimants, bien sûr, sont utilisés dans tout, des cartes de crédit aux machines IRM et dans les moteurs électriques. Matériaux ferroélectriques, tels que le titanate de baryum et le titanate de zirconium, former ce qu'on appelle un moment électrique, en phase de transition, lorsque les températures chutent en dessous de la température de Curie ferroélectrique - le point où les atomes s'alignent, déclenchant un magnétisme spontané. Le terme - du nom du physicien français Pierre Curie, qui, à la fin du XIXe siècle, a décrit comment les matériaux magnétiques réagissent aux changements de température - s'applique à la fois aux transitions ferroélectriques et ferromagnétiques. Eisenbach et ses collaborateurs s'intéressent aux deux phénomènes.

Eisenbach est particulièrement intrigué par les alliages à haute entropie, une sous-classe relativement nouvelle découverte il y a une dizaine d'années et qui pourrait posséder des propriétés mécaniques utiles. Les alliages conventionnels ont un élément dominant - par exemple, fer en acier inoxydable. Alliages à haute entropie, d'autre part, répartir uniformément leurs éléments sur un réseau cristallin. Ils ne deviennent pas cassants lorsqu'ils sont refroidis, restant souple à des températures extrêmement basses.

Pour comprendre la configuration des alliages à haute entropie, Eisenbach utilise l'analogie d'un échiquier parsemé de perles noires et blanches. Dans un matériel commandé, les perles noires occupent les carrés noirs et les perles blanches, carrés blancs. Dans les alliages à haute entropie, cependant, les perles sont dispersées de manière aléatoire sur le réseau quelle que soit la couleur jusqu'à ce que le matériau atteigne une basse température, beaucoup plus faible que les alliages normaux, quand il se commande presque à contrecœur.

Eisenbach et ses collègues ont modélisé un matériau aussi grand que 100, 000 atomes par la méthode Wang-Landau/LSMS. « Si je veux représenter le désordre, Je veux une simulation qui calcule des centaines sinon des milliers d'atomes, plutôt que deux ou trois, " il dit.

Pour modéliser un alliage, les chercheurs déploient d'abord l'équation de Schrödinger pour déterminer l'état des électrons dans les atomes. "Résoudre l'équation permet de comprendre les électrons et leurs interactions, qui est la colle qui maintient le matériau ensemble et détermine ses propriétés physiques."

Toutes les propriétés et énergies d'un matériau sont calculées par plusieurs centaines de milliers de calculs sur de nombreuses configurations possibles et sur des températures variables pour donner un rendu afin que les modélisateurs puissent déterminer à quelle température un matériau perd ou gagne son magnétisme, ou à quelle température un alliage passe d'un état désordonné à un état parfaitement ordonné.

Eisenbach attend avec impatience l'arrivée du supercalculateur Summit - cinq à six fois plus puissant que Titan - à l'OLCF fin 2018. "En fin de compte, nous pouvons faire des simulations plus importantes et éventuellement examiner des matériaux désordonnés encore plus complexes avec plus de composants et des compositions très variables, où le désordre chimique pourrait conduire à des comportements physiques qualitativement nouveaux."