Björn Alling, chercheur en physique théorique à l'université de Linköping, a, avec ses collègues, a terminé la tâche qui lui a été confiée par le Conseil suédois de la recherche à l'automne 2014 :découvrir ce qui se passe à l'intérieur des matériaux magnétiques à haute température.

Nitrure de chrome, CrN, est un matériau magnétique utilisé dans l'industrie comme, entre autres, un revêtement de surface dur. Il intéresse également les chercheurs, car c'est un mauvais conducteur de chaleur à haute température, ce qui le rend approprié pour une utilisation dans, par exemple, systèmes thermoélectriques. Dans de tels systèmes, le matériau doit conduire le courant sans conduire la chaleur.

Le comportement du nitrure de chrome, cependant, est quelque peu remarquable à des températures légèrement plus élevées. Les nitrures sont des composés qui contiennent de l'azote, N, avec un autre élément. La capacité de la plupart des nitrures à conduire la chaleur diminue lentement mais sûrement à mesure que la température augmente. La conduction thermique du nitrure de chrome, en revanche, chute brutalement après une élévation modérée de la température, puis reste à un niveau bas constant, même lorsque le matériau est chauffé à 600 °C. Les mécanismes derrière ce comportement ont laissé les chercheurs perplexes pendant de nombreuses années.

La dernière décennie a vu des percées majeures dans la recherche théorique en science des matériaux. Les chercheurs ont déterminé quelles méthodes de calcul sont les plus précises, et ont eu accès à des supercalculateurs suffisamment puissants pour pouvoir effectuer les calculs.

« Il y a eu un trou important dans nos connaissances dans le cas particulier du fonctionnement des matériaux magnétiques à haute température, " dit Björn Alling, chercheur en physique théorique à LiU.

C'était il y a près de quatre ans, fin 2014, qu'il a reçu une importante subvention de recherche du Conseil suédois de la recherche pour tenter de combler ce trou, en collaboration avec des chercheurs du Max-Planck-Institut für Eisenforschung à Düsseldorf. Björn Alling a passé deux ans à l'institut, un leader mondial dans la recherche sur les matériaux magnétiques.

La collaboration a été fructueuse et a donné lieu à un article dans la prestigieuse revue Lettres d'examen physique , où le groupe décrit une nouvelle méthode qui lui a permis de calculer exactement ce qui se passe dans le nitrure de chrome lorsqu'il est chauffé. Nous avons enfin des calculs théoriques qui s'accordent avec le comportement du matériau.

"Nous voulons comprendre les matériaux, indépendamment de leur température, pression et composition, et être capable de les décrire avec précision. Les calculs théoriques et les méthodes que nous avons développées offrent une base stable pour le développement d'applications industrielles. Il aurait été impossible de déterminer cette base par des expériences, " dit Björn Alling.

La méthode qu'ils ont développée donne des résultats d'une grande précision, et cela signifie que les calculs sont très exigeants.

En matériaux solides, les atomes sont disposés en une structure cristalline bien organisée, à des distances définies les unes des autres. Lorsque le matériau est chauffé, les atomes se mettent à vibrer.

Chaque atome d'un matériau magnétique contient ce que l'on peut considérer comme une minuscule aiguille de boussole, un dipôle avec une extrémité positive et une extrémité négative. Dans les matériaux magnétiques classiques, comme le fer, les aiguilles pointent toutes dans la même direction, ce qui donne au matériau ses propriétés magnétiques typiques. Lorsque le matériau est chauffé, cependant, les aiguilles de la boussole se mettent à tourner de manière imprévisible.

Des méthodes sont disponibles pour calculer et simuler séparément les vibrations et les rotations avec une grande précision, mais ils prédisent que la capacité à conduire la chaleur diminuera progressivement. Ce n'est pas ce qui se passe pour le nitrure de chrome.

"Nous avons maintenant développé une méthode dans laquelle nous décrivons comment les vibrations atomiques changent sur une échelle de temps femtoseconde, calculer les forces dans les atomes à l'aide de méthodes de mécanique quantique. À cela, nous ajoutons des calculs de dynamique de spin - de combien le magnétisme dans l'atome tourne en une femtoseconde. Nous remettons ensuite ce calcul dans le modèle dynamique de vibration des atomes, " explique Björn Alling.

La méthode a réussi.

« Le nitrure de chrome est remarquable par sa faible conduction thermique à des températures légèrement élevées. Nous avons maintenant pu montrer pourquoi, et nos simulations prédisent le comportement avec précision.

Personne n'a réussi à le faire auparavant."

Le calcul et la simulation de ce qui se passe dans le matériau pendant 30 picosecondes nécessite plus d'un mois de temps processeur pour les ressources dont disposent les chercheurs du National Supercomputer Center de LiU et de Düsseldorf

"Nous avons pu combiner une compréhension approfondie des phénomènes physiques et quantiques fondamentaux, et nous avons eu accès à une puissance informatique suffisante. Il faudra un certain temps avant que la méthode ne soit largement utilisée en science, puisque les calculs sont si précis et exigeants, mais il faut utiliser cette méthode pour progresser, " dit Björn Alling.

La prochaine étape sera d'appliquer la méthode au fer et à ses alliages. C'est l'un des plus anciens matériaux utilisés tout au long de l'histoire de l'humanité, mais nous n'en avons toujours pas une compréhension profonde.

"C'est une recherche théorique avec d'énormes applications pratiques, notamment dans la sidérurgie, " dit Björn Alling.