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.

In diesem Projekt haben wir untersucht, wie dünne Grenzflächen zwischen Metallen das magnetische Verhalten in strukturierten Materialien beeinflussen. Unser Fokus lag auf Mehrschichtsystemen aus Kobalt (Co), Ruthenium (Ru), Eisen (Fe), Platin (Pt) und Nickel (Ni), bei denen die Magnetschichten nur durch wenige Atomlagen getrennt sind. Auf kleinster Skala nutzten wir quantenmechanische (ab initio) Berechnungen, um die atomaren Strukturen an diesen Grenzflächen zu verstehen. Wir untersuchten, wie sich benachbarte Magnetschichten je nach Dicke und Zusammensetzung der Zwischenschicht in die gleiche Richtung (ferromagnetisch) oder entgegengesetzte Richtung (antiferromagnetisch) ausrichten. Selbst geringe Atomvermischungen an den Grenzflächen beeinflussen diese Kopplung stark und erklären experimentelle Beobachtungen. Zudem hängen die magnetische Anisotropie (bevorzugte Richtung) und komplexere Wechselwirkungsterme empfindlich von der genauen Grenzflächenstruktur ab. Um diese atomaren Erkenntnisse mit realen Materialien zu verknüpfen, haben wir einen multiskaligen Modellierungsansatz entwickelt, der atomistische Berechnungen mit mikromagnetischen Simulationen verbindet. Diese großräumigeren Simulationen beschreiben das Magnetisierungsverhalten im Nanometer- bis Mikrometerbereich. Ein wichtiger Meilenstein war eine neue Berechnungsmethode mit adaptiven Gittern zur effizienten Simulation von Magnetfeldern. Sie erhöht die Auflösung automatisch nur dort, wo es nötig ist - etwa nahe Grenzflächen oder Domänenwänden - und ermöglicht so umfangreiche, detaillierte Simulationen. Mit diesen Werkzeugen untersuchten wir, wie mikroskopische Eigenschaften wie Korngröße, Kristallorientierung und Grenzflächenrauheit das magnetische Verhalten beeinflussen. Unregelmäßigkeiten bilden starke Pinningstellen, die die Bewegung magnetischer Domänenwände behindern. Bei Mehrschichtsystemen wie Co/Ru/Co entscheidet die Kopplungsstärke der Schichten, ob das System einfache, gleichmäßige Magnetisierungsmuster oder komplexe Domänenstrukturen bildet. Durch die Integration atomistischer Berechnungen konnten wir simulieren, wie sich die magnetische Kopplung mit der Temperatur ändert und wie die Magnetisierung an Grenzflächen abrupt springt - ein Effekt, den einfache Modelle vernachlässigen. Eine gezielte Modifikation der Grenzfläche durch zusätzliche Atome oder kontrollierte Rauheit kann die Kopplung zudem verstärken. Die Methoden wurden erfolgreich auf Fe/Pt- und Fe/Ni-Multischichten übertragen, was ein einheitliches Bild davon vermittelt, wie die Struktur der Grenzfläche die magnetischen Eigenschaften beeinflusst. Insgesamt bietet dieses Projekt einen leistungsstarken Rahmen für das Design magnetischer Mehrschichtstrukturen mit maßgeschneiderten Eigenschaften, indem es die Physik auf atomarer Ebene direkt mit dem realen Materialverhalten verknüpft.