New methods for theoretical materials modeling
- Reference number
- IMF11-0059
- Start and end dates
- 110701-130630
- Amount granted
- 100 000 SEK
- Administrative organization
- Linköping University
- Research area
- Materials Science and Technology
Summary
The objective of the project is to perform parameter-free theoretical studies of materials of high industrial interest, that cannot be adequately described using standard computational methods, and thus require more advanced approaches. Such materials include transition metal (TM) systems based on Fe, Ni, Mn and Cr; which have applications ranging from novel light-weight steels and coatings to magnetic storage devices. We will focus on TM systems of high industrial and scientific value: TM-nitrides, Fe-Mn alloys, and TMs at extreme conditions. Recent years have seen a soar in cases where parameter-free ab-initio calculations directly aid experimental work in the design and fabrication of materials of direct practical relevance. However, standard computational tools do not adequately describe electronic correlations arising from the mutual electron-electron repulsion, which are the source of the rich variety of structural, magnetic and electronic properties of TM compounds. For this purpose, the French team has spear-headed the development of a new generation of computational tools, based on the so-called dynamical mean-field theory. These tools are now ready for large-scale applications. In this collaboration, the Swedish team, with its expertise in materials science, will apply these tools to industrially relevant systems, which will further drive the method development and push the limits of supercomputing, opening the door to a new realm in materials science.
Popular science description
Inom materialforskning på nya material för tekniska tillämpningar har de senaste åren visat på en tydlig trend av ökat samarbete mellan experimentalister och teoretiker. Genom så kallade grundprincipsberäkningar kan man förutsäga egenskaper hos material även i fall där experimentell indata saknas. Beräkningarna bygger enbart på kvantfysikens lagar och man använder sig av avancerade beräkningsalgoritmer på stora datasystem. Detta gör att man kan ersätta mätningar som till exempel är svåra, dyra eller farliga att utföra med datasimuleringar, och senare använda resultaten i tillverkningsprocessen. Under de senaste åren har den svenska delen av arbetsgruppen arbetat med beräkningar på material för tillämpningar bl a inom nya typer av stål, för ultrahårda beläggningar och inom mikroelektronik. I samarbete med sitt nätverk av experimentalister har detta genererat såväl en genuin grund för fortsatt design av dylika material, som patentansökningar i samarbete med Seco Tools. Allteftersom detta samarbete har fördjupats så har även kraven på noggranna simuleringar ökat. Många obesvarade frågor kvarstår dock, som har visat sig inte kunna lösas med konventionella beräkningsmetoder. För detta tillämpningsområde har den franska delen av arbetsgruppen lett utvecklingen av en ny typ av beräkningsmetoder. Dessa metoder har visat sig vara redo för storskalig tillämpning inom materialforskning, och kapabla till att besvara många av de frågor som återstår. De är mycket tidskrävande, och genom att användas i större skala, så kommer dessa de att kunna effektiviseras och utvecklas allt mer. Inom detta projekt kommer vi att tillämpa dessa metoder på tekniskt viktiga material bestående av transitionsmetaller, såsom järn, krom, nickel, mangan, dels i förening med varandra och även i kväveföreningar (så kallade nitrider). Vi kommer att utföra simuleringar av ett stort antal atomer samtidigt med hjälp av dessa nya metoder, vilket i sig kommer att bryta ny mark inom materialforskning.