Rotazione

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 14282 (2023) Citare questo articolo

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La compressione di un materiale magnetico porta ad un cambiamento nelle sue proprietà magnetiche. Esaminiamo questo effetto utilizzando la dinamica del reticolo di spin per il caso speciale di bcc-Fe, utilizzando sia Fe monocristallino che policristallino e una struttura di nanoschiuma bicontinua. Troviamo che durante la fase elastica della compressione, la magnetizzazione aumenta a causa di una maggiore popolazione del guscio di atomi più vicino e della conseguente maggiore interazione di scambio degli spin vicini. Al contrario, nella fase plastica della compressione, la magnetizzazione diminuisce, man mano che si creano dei difetti, aumentando il disordine e tipicamente diminuendo il numero medio di coordinazione degli atomi. Gli effetti sono più pronunciati nei cristalli singoli che nei policristalli, poiché la presenza di difetti sotto forma di bordi di grano contrasta l'aumento della magnetizzazione durante la fase elastica di compressione. Inoltre, gli effetti sono più pronunciati a temperature vicine alla temperatura di Curie che a temperatura ambiente. Nelle nanoschiume, l’effetto della compressione è minore poiché la compressione procede più per riduzione dei vuoti e piegatura dei filamenti – con un effetto trascurabile sulla magnetizzazione – che per tensione all’interno dei legamenti. Questi risultati si dimostreranno utili per personalizzare la magnetizzazione sotto sforzo introducendo la plasticità.

Il ferromagnetismo del bcc-Fe in massa è stato studiato a lungo utilizzando tecniche ab-initio1. Questi consentono anche di comprendere l'effetto locale di difetti puntuali isolati - come posti vacanti e interstiziali2,3,4 - e anche di strutture di difetti ad alta simmetria come superfici a basso indice5 e bordi dei grani6,7,8,9. Tuttavia, l’effetto di difetti estesi – in particolare dislocazioni – e anche di strutture che si estendono su più di pochi nm, va oltre la portata computazionale delle tecniche ab-initio. Nell'ultimo decennio il metodo della dinamica del reticolo di spin (SLD) ha ottenuto la comprensione microscopica accoppiando la simulazione della dinamica molecolare atomistica del reticolo con una descrizione classica della dinamica del sistema di spin10,11,12,13.

La compressione dei metalli induce plasticità che si basa su difetti estesi come dislocazioni e gemelli. L'interazione tra compressione e magnetismo richiede lo studio accoppiato delle proprietà magnetiche e meccaniche del Fe. Tale accoppiamento è stato riconosciuto già da tempo14. Al giorno d'oggi, è ben noto che la magnetizzazione e la plasticità possono influenzarsi a vicenda15,16,17 e che la comprensione dell'accoppiamento può aiutare a progettare le proprietà magnetiche e meccaniche desiderate. Recentemente Li et al.18 hanno utilizzato calcoli della teoria del funzionale densità per descrivere la diminuzione della magnetizzazione in un reticolo di Fe sottoposto a deformazione a trazione, ma solo per deformazioni elastiche senza considerare la formazione di difetti e la plasticità. Wang et al.19 hanno studiato l'effetto della nanoindentazione sul magnetismo locale attorno al solco di indentazione, ma solo per temperature di spin pari a zero, cioè ignorando gli effetti della dinamica di spin. Castro et al.20 hanno abbinato dinamiche molecolari e simulazioni micromagnetiche per dimostrare come le proprietà magnetiche del Fe cambiano sotto sforzo.

Esistono numerosi studi sugli effetti magnetoelastici a bassa deformazione21,22, comprese recenti simulazioni spin-reticolo23,24. Tuttavia, rimangono molte domande, in parte dovute alla difficoltà di quantificare sperimentalmente sia la magnetizzazione che la deformazione su scala nanometrica, in particolare a grandi valori di deformazione. Esistono diversi esperimenti che esplorano il ruolo della pressione nella magnetizzazione25. Il Fe sotto pressione è stato ampiamente studiato utilizzando esperimenti, modelli e simulazioni26,27,28,29,30,31,32. È noto che la trasformazione bcc \(\rightarrow\) hcp comporta sia un collasso di volume che una transizione da ferromagnetico a non magnetico33,34, e quindi è stata sottolineata la necessità di una trattazione simultanea dell'ordine magnetico e strutturale35. Come altro esempio, Kong et al.36 hanno scoperto che la plasticità in un film sottile di Ni, sotto forma di difetti di impilamento, modificava il recupero del dominio magnetico sotto deformazione ciclica. Sarebbe necessario che la dinamica accoppiata spin-reticolo includa tali difetti, che si nucleano ed evolvono sotto sforzo e, pertanto, non possono essere inclusi nelle simulazioni micromagnetiche, né nelle simulazioni di dinamica di spin atomistico con un reticolo fisso.