Modelagem de Materiais Magnéticos

Não muito tempo atrás, as técnicas de modelagem e avaliação de materiais magnéticos eram muito simplistas para reproduzir com precisão todos os dados obtidos em experimentos. Mas em 1995, pesquisadores do Laboratório Ames, liderados por Bruce Harmon, desenvolveram uma técnica computacional de ''dinâmica de spin'' que pode ser usada para representar e avaliar com precisão as flutuações dos momentos atômicos (orientações magnéticas) em materiais magnéticos sólidos em diferentes temperaturas. Entre seus benefícios, o método pode ser usado para fazer cálculos de sistemas de tamanho realista em temperaturas de interesse prático e científico. Usando essa técnica, os cientistas pela primeira vez determinaram teoricamente os momentos magnéticos em ferro e níquel em altas temperaturas, mesmo acima de uma temperatura chave na qual os momentos magnéticos variam em magnitude e apontam em direções aleatórias. Os estudos atuais se concentram em como e por que defeitos específicos em ímãs permanentes são cruciais para determinar as propriedades magnéticas desejáveis. O Laboratório Nacional de Oak Ridge e colaboradores usaram a técnica em um cálculo recorde de supercomputador.

Propomos produzir materiais modelo para estudar problemas fundamentais no magnetismo cooperativo usando duas estratégias sintéticas diferentes. Uma linha de ataque é preparar compostos iônicos estendidos que têm a rede desejada de átomos magnéticos; alternativamente, podemos construir o magnético a partir de unidades moleculares, direcionando a arquitetura através da direcionalidade de ligação dessas unidades.

Em ambos os casos, as redes alvo têm uma topologia de baixa dimensão e/ou frustrada e são projetadas para sondar desenvolvimentos recentes no magnetismo fundamental que sugerem que tais materiais podem ter novos estados de aterramento magnético e excitações, e, em particular, o caráter fluido de rotação. Propomos também preparar aglomerados metálicos de nanoescala de alta rotação e estudar o relaxamento de sua magnetização; isso é de considerável interesse fundamental como um exemplo de um processo macroscópico que pode ser controlado pelo tunelamento mecânico quântico; também pode ter significado prático como base para um dispositivo de memória magnética molecular.

Todo esse trabalho requer medições de suscetibilidade magnética dependentes do tempo e da frequência, portanto, solicitamos uma atualização para o aparelho magnetômetro SQUID dc existente para permitir a realização de medições de CA, e propor apoiar o acesso aberto a este equipamento, reforçando o nosso serviço informal de caracterização magnética.

Impacto científico: A abordagem da dinâmica do spin é uma contribuição significativa para os fundamentos de uma nova teoria da dinâmica dos momentos magnéticos em temperatura finita e em resposta a campos aplicados externos. Ele permite que os cientistas modelem as propriedades do material à temperatura ambiente, na qual os ímãs normalmente são usados.

Impacto social: O magnetismo metálico é a chave para muitas tecnologias, incluindo armazenamento de dados magnéticos e dispositivos de geração de energia elétrica. A modelagem precisa da comutação de bits do computador é essencial para o projeto de futuros discos de computador de alta densidade, e a capacidade de otimizar materiais magnéticos de alta temperatura levará a motores e transformadores mais eficientes em termos de energia.