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Jul 06, 2023

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 14282 (2023) Citar este artigo

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A compressão de um material magnético leva a uma alteração nas suas propriedades magnéticas. Examinamos esse efeito usando a dinâmica spin-rede para o caso especial de bcc-Fe, usando Fe simples e policristalino e uma estrutura de nanoespuma bicontínua. Descobrimos que durante a fase elástica da compressão, a magnetização aumenta devido a uma maior população da camada de átomos vizinha mais próxima e à resultante maior interação de troca de spins vizinhos. Em contraste, na fase plástica da compressão, a magnetização diminui, à medida que são criados defeitos, aumentando a desordem e normalmente diminuindo o número médio de coordenação do átomo. Os efeitos são mais pronunciados em monocristais do que em policristais, uma vez que a presença de defeitos na forma de contornos de grão neutraliza o aumento da magnetização durante a fase elástica de compressão. Além disso, os efeitos são mais pronunciados em temperaturas próximas à temperatura Curie do que à temperatura ambiente. Nas nanoespumas, o efeito da compressão é menor, uma vez que a compressão ocorre mais pela redução de vazios e flexão do filamento - com efeito insignificante na magnetização - do que pela tensão dentro dos ligamentos. Essas descobertas serão úteis para adaptar a magnetização sob tensão, introduzindo plasticidade.

O ferromagnetismo do bcc-Fe a granel tem sido investigado há muito tempo usando técnicas ab-initio . Estes também permitem compreender o efeito local de defeitos pontuais isolados - como vagas e intersticiais2,3,4 - e também de estruturas de defeitos de alta simetria, como superfícies de baixo índice5 e limites de grãos6,7,8,9. No entanto, o efeito de defeitos estendidos - em particular deslocações - e também de estruturas que se estendem por mais de alguns nm, está além do alcance computacional das técnicas ab-initio. Na última década, o método de dinâmica spin-rede (SLD) obteve compreensão microscópica acoplando a simulação de dinâmica molecular atomística da rede com uma descrição clássica da dinâmica do sistema de spin .

A compressão de metais induz plasticidade que se baseia em defeitos extensos, como luxações e gêmeos. A interação de compressão e magnetismo requer a investigação acoplada das propriedades magnéticas e mecânicas do Fe. Tal acoplamento foi reconhecido há muito tempo14. Hoje em dia, é bem sabido que a magnetização e a plasticidade podem influenciar-se mutuamente e que a compreensão do acoplamento pode ajudar na engenharia das propriedades magnéticas e mecânicas desejadas. Recentemente, Li et al.18 usaram cálculos da teoria do funcional da densidade para descrever a diminuição da magnetização em uma rede de Fe sob tensão de tração, mas apenas para deformações elásticas, sem considerar a formação de defeitos e a plasticidade. Wang et al.19 estudaram o efeito da nanoindentação no magnetismo local ao redor do poço de indentação, mas apenas para temperatura de spin zero, ou seja, ignorando os efeitos da dinâmica de spin. Castro et al.20 combinaram dinâmica molecular e simulações micromagnéticas para demonstrar como as propriedades magnéticas do Fe mudam sob tensão.

Existem numerosos estudos de efeitos magnetoelásticos em baixa deformação21,22, incluindo simulações recentes de spin-rede23,24. No entanto, ainda restam muitas questões, em parte devido à dificuldade de quantificar experimentalmente a magnetização e a deformação em nanoescala, particularmente em grandes valores de deformação. Existem vários experimentos que exploram o papel da pressão na magnetização25. O Fe sob pressão tem sido extensivamente estudado por meio de experimentos, modelos e simulações . Sabe-se que a transformação bcc \(rightarrow\) hcp envolve tanto um colapso de volume quanto uma transição ferromagnética para não magnética33,34 e, portanto, tem sido apontada a necessidade de um tratamento simultâneo de ordem magnética e estrutural35. Como outro exemplo, Kong et al.36 descobriram que a plasticidade em um filme fino de Ni, na forma de falhas de empilhamento, modificou a recuperação do domínio magnético sob deformação cíclica. A dinâmica de spin-rede acoplada seria necessária para incluir tais defeitos, que nucleam e evoluem sob tensão e, portanto, não podem ser incluídos em simulações micromagnéticas, nem em simulações de dinâmica de spin atomística com uma rede fixa.