Атомистическое моделирование и теоретическое исследование функциональных и структурных материалов

Проект посвящен фундаментальным поисковым теоретическим исследованиям перспективных магнитных материалов и наноструктур для практических применений в современных направлениях магнетизма, магнитокалорики, спинтроники и плазмоники. В части механики материалов цель исследования состоит в создании физически обоснованных моделей больших высокоскоростных деформаций и сдвигового разрушения металлов и сплавов с использованием данных атомистического моделирования для построения определяющих уравнений и уравнений эволюции структурных дефектов (дислокаций, пор, двойников и границ зерен), а также в создании реализующих их пакетов программ. Исследования по проекту проводятся в рамках трех направлений, реализуемых двумя группами по двум тематическим направлениям в области физики конденсированного состояния и магнетизма и одной группой по механике материалов при динамических условиях нагружения. Объектом исследования НИР являются ферромагнитные и антиферромагнитные материалы на основе сплавов Гейслера, которые демонстрируют многообразие физических свойств, особо проявляющихся в области магнитных и структурных фазовых переходов; двумерные материалы и наноструктуры на их основе во внешних полях; механическое поведение материалов с различной микроструктурой (металлы, сплавы, пористые металлы, порошки металлов) при динамической деформации. Цель работы – решение фундаментальной проблемы физики магнитных явлений и физики фазовых переходов, связанной с теоретическим исследованием структурных, электронных и магнитных свойств в магнитоупорядоченных сплавах, являющихся перспективными для создания магнитных сенсоров; исследование новых физических эффектов в наноструктурах и метаповерхностях на основе двумерных материалов во внешних полях и возможности их применение для передачи, приема и обработки информации в широком диапазоне частот.; построение моделей механического поведения структурных материалов на основе множества данных атомистического моделирования с их обобщением методами машинного обучения в виде нейронных сетей или механических моделей с параметрами, автоматически идентифицированными на основе алгоритма Байеса, а также применение этих моделей для численного исследования процессов динамического нагружения материалов. В процессе выполнения НИР в рамках первого направления проведены теоретические исследования магнитных, электронных и структурных свойств сплавов Гейслера в рамках квантово-механического и статистического подходов. Исследования зонной структуры сплава Mn2VGe показали, что данный сплав имеет очень высокую поляризацию на уровне Ферми и, следовательно, может использоваться в различных устройствах спинтроники. Исследования устойчивости сплавов Гейслера Co2Ni1+x(In, Sn, Al, Ga)1−x показало, что все составы Co-Ni-(In, Sn) во всех рассмотренных структурах тенденцию к распаду на чистые Co, Ni и In/Sn. Стабильность демонстрируют только составы в семействах Co-Ni-Al и Co-Ni-Ga/, для которых наиболее стабильными являются стехиометрические соединения Co2Ni(Al, Ga). Предсказана анизотропия в новой слоистой структуре сплава Fe2NiAl превышающая в 3 раза анизотропию сплава FeNi. Показано что замещение Al никелем приводит к понижению анизотропии слоистой структуре с кубической элементарной ячейкой. Показано, что атомы Fe дают положительный вклад, а атомы Ni – отрицательный в силу различного влияния спин-орбитального взаимодействия. В рамках второго направления исследованы дисперсионные характеристики поверхностных плазмон-поляритонов в мета-поверхности на основе графеновых лент и на границе раздела диэлектрик-диоксид ванадия в проводящей фазе. Вычислены плазмонные свойства структуры диэлектрик - графеновая метаповерхность - диоксид ванадия до, во время и после фазового перехода. Обнаружено, что в проводящей фазе VO2, в системе существует два типа плазмон-поляритонов: локализованные главным образом около метаповерхности и локализованные около границы раздела диэлектрик-VO2. Обнаружено, что метаповерхности, работающие в гиперболическом режиме, более чувствительны к фазовому переходу в VO2. Исследованы плазмонные свойства метаповерхностей, содержащих усиливающие среды. Обнаружено, что такие метаповерхности могут функционировать в гиперболическом режиме. Предложены возможные реализации таких метаповерхностей на основе кобальта и полупроводниковых квантовых точек. Исследование влияния подложки на температуру Кюри 2D-магнетика с использованием простой модели Изинга на квадратной решетке и потенциала Френкеля - Конторовой для моделирования подложки показало, что изменение температуры фазового перехода прямо пропорционально градиенту обменного интеграла и периоду подложки. Несоразмерное расположение атомов по отношению к потенциалу подложки приводит к сложным эффектам, таким как влияние потенциала подложки и коэффициента покрытия на фазовый переход в спиновой системе. По третьему направлению проведены численные исследования при помощи молекулярной динамики (МД) и моделирования в рамках механики сплошной среды с учетом дислокационной подсистемы. Трехмерное моделирование проводится с помощью метода сглаженных частиц (SPH). Развит метод автоматического определения параметров механических моделей на основе вероятностного алгоритма Байеса как метода машинного обучения. Алгоритм Байеса показал себя как эффективный метод идентификации параметров. Помимо самого поиска набора параметров он позволяет проанализировать влияние параметров на точность модели, адекватность модели описываемому явлению и достаточность набора обучающих данных для идентификации параметров. Продолжено развитие методики моделирования упругопластической деформации металлов в трехмерной постановке. Параллельная реализация алгоритма на основе метода сглаженных частиц показывает высокую эффективность использования многих потоков – более 50% при использовании 64 потоков на одном процессоре. Выполнено микроструктурное исследование исходных и деформированных образцов, которое показало измельчение зеренной структуры до субмикрометрового уровня и развитие пористой структуры в области больших деформаций вблизи поверхности соударения.