Magnetismus an Grenzflächen: vom Quantum zur Realität

Permanentmagnete sind eine Schlüsseltechnologie für die moderne Gesellschaft mit Anwendungen in der Klimatechnik, der Mobilität oder der Stromerzeugung. Die Qualität eines Permanentmagneten wird durch die Stärke bestimmt, die er einem von außen angelegten Feld standhält. Bei einem bestimmten äußeren Feld, dem Koerzitivfeld, verliert der Magnet seinen magnetischen Zustand. Die gemessenen Koerzitivfelder in modernen Permanentmagneten erreichen nur einen kleinen Bruchteil der theoretischen Werte. Eine Reihe von experimentellen Untersuchungen hat gezeigt, dass Diskontinuitäten und Ausrichtungsfehler auf atomarer Ebene die Koerzitivfeldstärke erheblich beeinflussen. Das Verständnis von Defekten auf atomarer Ebene und deren Zusammenhang mit der Qualität des Magneten trägt dazu bei, den Herstellungsprozess von Permanentmagneten zu ändern und zu verbessern und stärkere Permanentmagnete zu erhalten. Da Herstellung und Experimente teuer und zeitaufwendig sind, ist die beste Methode zur Untersuchung von Magneten die Modellierung und Simulation. In diesem Projekt entwickeln wir ein quantitatives Modell der Koerzitivfeldstärke, das die lokale atomare Struktur, die räumliche Variation der magnetischen Eigenschaften in der Nähe der atomaren Defekte und die physikalische Mikrostruktur des Magneten berücksichtigt. Um dieses Ziel zu erreichen, überbrücken wir verschiedene Längenskalen, von Sub-Nanometer-Merkmalen bis zu einigen Mikrometern. Normalerweise ist es schwierig, Informationen zwischen verschiedenen Längenskalen zu übertragen. Mit Hilfe moderner Computersysteme und intelligenten Algorithmen überbrücken wir die verschiedenen Längenskalen, um die Koerzitivfeldstärke eines Permanentmagneten auf der Grundlage seiner kleinsten Einheit, der atomaren Struktur, zu bestimmen. Das entwickelte Modell wird von gut charakterisierten magnetischen Materialien begleitet, um das System während des gesamten Projektverlaufs zu validieren. Es gibt Materialsysteme, die seit vielen Jahren experimentell und theoretisch untersucht werden, wie zum Beispiel Eisen-Nickel (FeNi) und Eisen-Platin (FePt). Hier beginnen wir mit der Entwicklung und Validierung unseres Multiskalenansatzes. Anschließend nutzen wir das entwickelte Modell, um komplexere Materialsysteme zu analysieren und zu verstehen. Wir laden internationale Experten für jedes Materialsystem ein, um eine enge Zusammenarbeit zwischen Experimenten und unserem entwickelten Modell zu ermöglichen. Während des gesamten Projekts sammeln wir Informationen aus Experimenten und aus Simulationen. Wir wenden Datenassimilation an, ein maschinelles Lernmodell, um das Simulationsmodell entsprechend den Koerzitivfeldstärkemessungen anzupassen und systematische Fehler zu korrigieren. Mit Hilfe des entwickelten Multiskalenmodells und des maschinellen Lernmodells werden wir in der Lage sein, magnetische Materialsysteme auf der Grundlage ihrer atomistischen Struktur zu beschreiben und stärkere Permanentmagnete zu entwickeln.