Apenas más ancho que una cadena de ADN humano, las nanopartículas magnéticas, como las hechas de átomos de hierro y platino, son materiales prometedores para dispositivos de grabación y almacenamiento de próxima generación como discos duros. La construcción de estos dispositivos a partir de nanopartículas debería aumentar la capacidad de almacenamientoy densidad, pero comprender cómo funciona el magnetismo a nivel de átomos individuales es fundamental para obtener el mejor rendimiento.
Sin embargo, el magnetismo a escala atómica es extremadamente difícil de observar experimentalmente, incluso con los mejores microscopios y tecnologías de imagen.
Es por eso que los investigadores que trabajan con nanopartículas magnéticas en la Universidad de California, Los Ángeles UCLA, y el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley Berkeley Lab del Departamento de Energía de los EE. UU. DOE se acercaron a científicos computacionales en el Laboratorio Nacional Oak Ridge ORNL del DOEpara ayudar a resolver un problema único: modelar el magnetismo a nivel atómico utilizando datos experimentales de una nanopartícula real.
"Este tipo de cálculos se han realizado para partículas ideales con estructuras cristalinas ideales pero no para partículas reales", dijo Markus Eisenbach, científico computacional en el Centro de Computación de Liderazgo de Oak Ridge OLCF, un Centro de Usuarios de la Oficina de Ciencia del DOE ubicadoen ORNL.
Eisenbach desarrolla simulaciones de estructura electrónica mecánica cuántica que predicen propiedades magnéticas en materiales. Trabajando con Paul Kent, un científico de materiales computacionales en el Centro de Ciencias de Materiales Nanofásicos de ORNL, el equipo colaboró con investigadores de UCLA y la Fundición Molecular de Berkeley Lab para combinar la clase mundialdatos experimentales con computación de clase mundial para hacer algo nuevo: simule el magnetismo átomo por átomo en una nanopartícula real.
Utilizando los nuevos datos de los equipos de investigación en la costa oeste, Eisenbach y Kent pudieron modelar con precisión la estructura atómica medida, incluidos los defectos, a partir de una nanopartícula de hierro-platino FePt única y simular sus propiedades magnéticas en el 27-supercomputadora petaflop Titan en el OLCF.
Los códigos de estructura electrónica toman la estructura atómica y química y resuelven las propiedades magnéticas correspondientes. Sin embargo, estas estructuras generalmente se derivan de muchas imágenes de microscopía electrónica 2D o cristalografía de rayos X promediadas juntas, lo que resulta en un representante, pero no es cierto,Estructura tridimensional
"En este caso, los investigadores pudieron obtener la estructura tridimensional precisa para una partícula real", dijo Eisenbach. "El grupo UCLA ha desarrollado una nueva técnica experimental en la que pueden determinar dónde están los átomos, las coordenadas,- y la resolución química, o lo que son: hierro o platino "
Los resultados se publicaron el 2 de febrero en Naturaleza .
Datos nuevos y mejorados
Utilizando un microscopio electrónico de última generación en la Fundición Molecular de Berkeley Lab, los equipos de Berkley Lab y UCLA midieron múltiples imágenes en 2-D de una sola nanopartícula de FePt en diferentes orientaciones. Los investigadores de la UCLA utilizaron GENFIRE, un algoritmo de reconstrucción quedesarrollado, para alinear imágenes en 2-D y reconstruir las posiciones atómicas en 3-D con precisión de vanguardia. La nanopartícula que fotografiaron se sintetizó en la Universidad de Buffalo.
"Nuestra técnica se llama tomografía atómica de electrones AET y permite la reconstrucción de la estructura atómica 3-D en materiales con precisión de 22 picómetros", dijo Jianwei John Miao de UCLA. Un picómetro es una billonésima parte de un metro"Como una tomografía computarizada, toma múltiples imágenes de muestras y las reconstruye en una imagen tridimensional".
Sin embargo, una tomografía computarizada es del orden de milímetros para diagnósticos médicos, mientras que la técnica AET del equipo de UCLA mide las ubicaciones de los átomos en el orden de cientos de picómetros, o el espacio entre los átomos.
El equipo de UCLA también desarrolló algoritmos para rastrear las posiciones de aproximadamente 6,500 átomos de hierro y 16,500 átomos de platino, revelando un desorden químico en 3-D y otros defectos a nivel atómico.
"Encontramos que la estructura atómica es mucho más complicada de lo que la gente pensaba", dijo Miao. "Hubo muchos defectos e imperfecciones en esta nanopartícula de hierro-platino".
Una de las características definitorias de la nanopartícula de FePt es la agrupación de átomos de hierro y platino en regiones o "granos" divididos por límites. Los investigadores querían comprender cómo el magnetismo diferiría a través de los límites dado que la proporción y el orden de los átomos de hierro y platinocambia de grano a grano. Finalmente, el magnetismo de grano a grano podría influir en el rendimiento de un dispositivo de almacenamiento magnético.
"El desafío computacional era demostrar cómo se ordena el magnetismo en la partícula real y comprender cómo cambia entre los límites de los granos ordenados de manera diferente", dijo Eisenbach.
Un hito de supercomputación
Por primera vez, los investigadores han simulado anisotropía magnética local a nivel atómico en un material magnético basado en datos experimentales. Esta figura muestra cambios en la energía magnética a través de átomos individuales de hierro y platino de una nanopartícula de FePt. Imagen cortesía de Markus Eisenbach yNaturaleza.
El magnetismo a nivel atómico es impulsado por la mecánica cuántica, un hecho que ha sacudido los cálculos de física clásicos y ha exigido cálculos de primer principio cada vez más complejos, o cálculos que funcionan hacia adelante a partir de ecuaciones de física fundamentales en lugar de depender de suposiciones que reducen la computacióncarga de trabajo
Para los dispositivos de grabación y almacenamiento magnéticos, los investigadores están particularmente interesados en la anisotropía magnética, o en qué dirección favorece el magnetismo en un átomo.
"Si la anisotropía es demasiado débil, un poco escrito en la nanopartícula podría voltearse a temperatura ambiente", dijo Kent.
Para resolver la anisotropía magnética, Eisenbach y Kent utilizaron dos códigos computacionales para comparar y validar resultados.
Para simular una supercélula de aproximadamente 1,300 átomos de regiones fuertemente magnéticas de la nanopartícula de 23,000 átomos, utilizaron el código Lineal Scaling Multiple Scattering LSMS, un código de teoría funcional de densidad de primeros principios desarrollado en ORNL.
"El código LSMS fue desarrollado para grandes sistemas magnéticos y puede abordar muchos átomos", dijo Kent.
Como investigador principal en 2017, 2016 y anteriores premios del programa INCITE, Eisenbach ha ampliado el código LSMS a Titán para una gama de proyectos de materiales magnéticos, y el código interno se ha optimizado para la arquitectura acelerada de Titán, acelerando los cálculos más8 veces más que en las GPU de la máquina. Excepcionalmente capaz de procesar grandes sistemas magnéticos rápidamente, el código LSMS recibió un Premio Gordon Bell de la Asociación de Maquinaria de Computación en logros de computación de alto rendimiento en 1998 y 2009, y los desarrollos continúan mejorando el código para nuevas arquitecturas.
Trabajando con Renat Sabirianov en la Universidad de Nebraska en Omaha, el equipo también ejecutó VASP, un paquete de simulación que es más adecuado para conteos de átomos más pequeños, para simular regiones de aproximadamente 32 átomos.
"Con ambos enfoques, pudimos confirmar que los resultados locales de VASP eran consistentes con los resultados de LSMS, por lo que tenemos una gran confianza en las simulaciones", dijo Eisenbach.
Las simulaciones por computadora revelaron que los límites de grano tienen un fuerte efecto sobre el magnetismo. "Encontramos que la energía de anisotropía magnética se transforma repentinamente en los límites de grano. Estas propiedades magnéticas son muy importantes", dijo Miao
En el futuro, los investigadores esperan que los avances en computación y simulación hagan posible una simulación de partículas completas, ya que los cálculos de primeros principios son actualmente demasiado intensivos para resolver el magnetismo a pequeña escala para regiones de más de unos pocos miles de átomos.
Además, simulaciones futuras como estas podrían mostrar cómo los diferentes procesos de fabricación, como la temperatura a la que se forman las nanopartículas, influyen en el magnetismo y el rendimiento.
"Hay una esperanza en el futuro de que uno pueda usar estas técnicas para observar el crecimiento de nanopartículas y comprender cómo optimizar el crecimiento para el rendimiento", dijo Kent.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Laboratorio Nacional de Oak Ridge . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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