Kvantově-mechanické výpočty jsou v dnešní době již zavedeným nástrojem používaným pro výzkum nových pokročilých materiálů. Proto je tento přístup využíván i pracovníky Odboru strukturní a fázové analýzy k předpovědím materiálových vlastnosti a fázové stability bez znalosti jakýchkoliv empirických dat. Kvantově-mechanické výpočty jsou využívány pro studium multiferoických látek, což jsou tzv. „chytré“ multifunkční materiály vykazující alespoň dvě feroická uspořádání v jedné fázi. To z nich dělá ideální kandidáty pro aplikace jako sensory, aktuátory nebo pro získávání energie (energy harvesting).
Do skupiny teoreticky studovaných multiferoických materiálů patří sloučeniny se strukturou odvozenou od podvojných perovskitů A2BB’O6, které mimo toho, že vykazují feroelektrické a feromagnetické uspořádání, mohou být i vhodnými kandidáty pro spintronické aplikace. Naše výpočty umožňují určit magnetické výměnné interakční parametry mezi atomy, které je pak možné použít jako vstupy do Monte Carlo simulací a předpovědět tak např. Curieho teplotu a další magnetické vlastnosti. Tento výzkum probíhá ve spolupráci s Université de Rouen Normandie ve Francii a Kanazawa University v Japonsku.
Dalšími studovanými multiferoiky jsou magnetické slitiny s tvarovou pamětí na bázi Heuslerovy slitiny Ni2MnGa. Tento materiál vykazuje velmi složitou krystalovou strukturu s modulací mřížkových rovin a hierarchickou dvojčatovou mikrostrukturou, která umožňuje velmi snadnou reorientaci dvojčatových variant. To se projeví makroskopickou deformací ve vnějším magnetickém poli, která může dosahovat až 12 %. Přestože je krystalová struktura klíčová pro porozumění těmto výjimečným vlastnostem, není stále přesně známá a publikované výsledky jsou rozporuplné. S použitím kvantově-mechanických výpočtů se podařilo popsat transformační dráhy mezi různými fázemi, a jak změna složení ovlivňuje elastické vlastností slitiny a magnetickou anisotropii. Hlavním přínosem je zjištění, jaká je správná volba aproximace pro výměnnou a korelační energii v kvantově-mechanických výpočtech, aby krystalová struktura základního stavu získaná ze simulací odpovídala experimentálním výsledkům. To je nezbytný krok pro provádění dalších simulací například s využitím umělé inteligence a strojového učení. Výzkum slitiny Ni2MnGa probíhá ve spolupráci s Fyzikálním ústavem a Ústavem termomechaniky AVČR v Praze a také s Finskou LUT University v Lappeenrantě nebo s Institute of Metallurgy and Materials Science polské akademie věd v Krakově.
Kontaktní osoba:
Ing. Martin Zelený, Ph.D.