Quantum theory for atomistic materials design
- Reference number
- SRL10-0026
- Start and end dates
- 120101-180331
- Amount granted
- 9 700 000 SEK
- Administrative organization
- Linköping University
- Research area
- Materials Science and Technology
Summary
The main goal of the present project is to develop the next generation of user-friendly simulation tools with sufficient predictive power for the practical knowledge-based materials development, and to identify, by means of state-of-the-art computer simulations, novel materials and phenomena with high strategic potential for future technological applications. The project will proceed along two principal directions: the competence development and the competence transfer. The former will allow us to perform simulations at most realistic conditions. This includes temperature induced kinetic and dynamical effects, finite-size effects at the nano-scale, many-body electron interactions, and magnetic excitations. Fundamental understanding of structure-property relations obtained by us will be used in high-throughput predictive simulations. The objective for the competence transfer tasks is to pass the knowledge in the form of predictions of novel materials and phenomena, as well as user-friendly simulation software, visualization tools, and expertise to the broad materials science community and to industry. In this project the basic theory and practical applications are deeply interconnected through the research cycle technological challenge -> theoretical solution -> experimental verification -> new material/technology. This ensures a novelty of the research and its feasibility, a precision in problem formulations, and an efficient exchange of information.
Popular science description
Betydelsen av olika material för vårt samhälle är svår att överskatta. Som exempel kan nämnas höghållfasta superlegeringar, tunna filmer av funktionella nanokomposit-material, magnetiska material, eldfasta material och supraledare. Därför upptäcks idag ständigt nya material och detta leder till ett ökat intresse för hur dessa egentligen fungerar. Den teoretiska fysiken spelar en allt viktigare strategisk roll inom sådana forskningsområden som nanovetenskap, informationsteknologi, energiforskning och bioteknologi. Allt kraftfullare moderna datorer i kombination med en stark teoretisk utveckling inom fysiken, speciellt inom elektronstrukturteorin, har gjort det möjligt att utföra ab initio simuleringar för verkliga material. Ab initio-arbetssättet tillåter oss idag att få pålitliga resultat och förutspå termodynamiska, mekaniska, elektriska och magnetiska egenskaper hos bland annat metaller, keramer, havledare och isolatorer. Ett aktuellt exempel är vår nyligen genomförda studie av dopning av ceriumoxid för användning i bränsleceller. Vi upptäckte genom teoretiska beräkningar att en samtidig dopning med Neodyn och Samarium eller Praseodym och Gadolinium gav speciellt goda möjligheter för ledning av syrejoner. Denna extremt viktiga slutsats bekräftades senare experimentellt. Genom “state-of-the-art” beräkningsmetoder kommer den teoretiska fysiken att spela en allt större och viktigare roll inom materialforskningen. Tack vare våra nya metoder kan vi utföra simuleringar for mycket komplicerade system. Detta öppnar nya spännande möjligheter för att på ett realistiskt sätt teoretiskt studera ett material. Den övergripande målsättningen för den forskning som föreslås i detta projekt är att utveckla våra teoretiska metoder för att kunna förstå och kvantitativt förutsäga egenskaperna hos avancerade material vid höga temperaturer, samt att använda våra nyligen utvecklade metoder och kunskaper till att studera nya materialklasser. Den kunskap som fås genom våra teoretiska studier kommer att användas i ett direkt samarbete med experimentella forskare. Huvudmålet för detta projekt är en utveckling av nya generationens användarvänliga simuleringsverktyg, som har tillräckligt förutsägningskraft för praktisk kunskapsbaserad materialdesign, och med state-of-the-art datorsimuleringar identifiera nya material och fenomen med stor strategisk potential för framtida teknologisk användning.