Rotation

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 14282 (2023) Citer cet article

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La compression d'un matériau magnétique entraîne une modification de ses propriétés magnétiques. Nous examinons cet effet en utilisant la dynamique spin-réseau pour le cas particulier de bcc-Fe, en utilisant à la fois du Fe monocristallin et polycristallin et une structure de nanomousse bicontinue. Nous constatons que pendant la phase élastique de compression, la magnétisation augmente en raison d’une population plus élevée de la coquille d’atomes la plus proche et de l’interaction d’échange plus élevée des spins voisins qui en résulte. En revanche, dans la phase plastique de compression, la magnétisation diminue à mesure que des défauts sont créés, augmentant le désordre et diminuant généralement le nombre moyen de coordination des atomes. Les effets sont plus prononcés dans les monocristaux que dans les polycristaux, puisque la présence de défauts sous forme de joints de grains contrecarre l'augmentation de l'aimantation lors de la phase élastique de compression. De plus, les effets sont plus prononcés à des températures proches de la température de Curie qu’à température ambiante. Dans les nanomousses, l'effet de la compression est mineur puisque la compression s'effectue davantage par réduction des vides et par flexion des filaments - avec un effet négligeable sur la magnétisation - que par déformation au sein des ligaments. Ces résultats s'avéreront utiles pour adapter l'aimantation sous contrainte en introduisant de la plasticité.

Le ferromagnétisme du bcc-Fe en vrac a depuis longtemps été étudié à l'aide de techniques ab-initio1. Ceux-ci permettent également de comprendre l'effet local de défauts ponctuels isolés, tels que les lacunes et les interstitiels2,3,4, ainsi que des structures de défauts à haute symétrie telles que les surfaces à faible indice5 et les joints de grains6,7,8,9. Cependant, l’effet des défauts étendus, en particulier des dislocations, ainsi que des structures s’étendant sur plus de quelques nm, dépasse la portée informatique des techniques ab-initio. Au cours de la dernière décennie, la méthode de dynamique spin-réseau (SLD) a acquis une compréhension microscopique en couplant la simulation de la dynamique moléculaire atomistique du réseau avec une description classique de la dynamique du système de spin10,11,12,13.

La compression des métaux induit une plasticité qui repose sur des défauts étendus tels que des luxations et des macles. L'interaction de la compression et du magnétisme nécessite l'étude couplée des propriétés magnétiques et mécaniques du Fe. Un tel couplage était reconnu depuis longtemps14. De nos jours, il est bien connu que la magnétisation et la plasticité peuvent s’influencer mutuellement15,16,17 et qu’une compréhension du couplage peut aider à concevoir les propriétés magnétiques et mécaniques souhaitées. Récemment, Li et al.18 ont utilisé des calculs de théorie fonctionnelle de la densité pour décrire la diminution de l'aimantation dans un réseau de Fe soumis à une déformation en traction, mais uniquement pour les déformations élastiques, sans tenir compte de la formation de défauts et de la plasticité. Wang et al.19 ont étudié l'effet de la nanoindentation sur le magnétisme local autour de la fosse d'indentation, mais uniquement pour une température de spin nulle, c'est-à-dire en ignorant les effets de la dynamique de spin. Castro et al.20 ont couplé la dynamique moléculaire et les simulations micromagnétiques pour démontrer comment les propriétés magnétiques du Fe changent sous contrainte.

Il existe de nombreuses études sur les effets magnétoélastiques à faible déformation21,22, y compris des simulations récentes de spin-réseau23,24. Cependant, de nombreuses questions restent en suspens, en partie à cause de la difficulté de quantifier expérimentalement à la fois la magnétisation et la déformation à l'échelle nanométrique, en particulier à des valeurs de déformation élevées. Il existe plusieurs expériences explorant le rôle de la pression dans la magnétisation25. Le Fe sous pression a été largement étudié à l’aide d’expériences, de modèles et de simulations26,27,28,29,30,31,32. On sait que la transformation bcc \(\rightarrow\) hcp implique à la fois un effondrement de volume et une transition ferromagnétique vers non magnétique, et par conséquent la nécessité d'un traitement simultané de l'ordre magnétique et structurel a été soulignée35. Comme autre exemple, Kong et al.36 ont découvert que la plasticité dans un film mince de Ni, sous la forme de défauts d'empilement, modifiait la récupération du domaine magnétique sous contrainte cyclique. La dynamique couplée spin-réseau serait nécessaire pour inclure de tels défauts, qui se nucléent et évoluent sous contrainte et ne peuvent donc pas être inclus dans les simulations micromagnétiques, ni dans les simulations de dynamique de spin atomistique avec un réseau fixe.