LEAPS-MPS: Spin-lattice interaction in paramagnetic cubic iron at high pressure
LEAPS-MPS:高压下顺磁立方铁的自旋晶格相互作用
基本信息
- 批准号:2213527
- 负责人:
- 金额:$ 24.91万
- 依托单位:
- 依托单位国家:美国
- 项目类别:Standard Grant
- 财政年份:2022
- 资助国家:美国
- 起止时间:2022-06-01 至 2024-05-31
- 项目状态:已结题
- 来源:
- 关键词:
项目摘要
This award is funded in whole under the American Rescue Plan Act of 2021 (Public Law 117-2).NONTECHNICAL SUMMARYThis LEAPS-MPS award supports computational and theoretical research on the effect of magnetism on the way iron atoms arrange themselves at high temperatures and pressures. As one of the principal constituents of the Earth, and being of paramount importance to our technological civilization, iron is one of the most intensely studied materials, but quantum mechanical simulations that simultaneously include magnetism and the displacement patterns of iron atoms from their equilibrium positions due to temperature are computationally prohibitive. These simulations are nevertheless important because many physical and chemical properties of materials depend on the particular arrangement of atoms and their vibrations around equilibrium positions, and the ability to accurately predict such patterns can enable the design of materials using only computer simulations. The research team will approach this computational challenge by using a particular computer algorithm to efficiently search for general parameters that result in predictions that are consistent with experiments, and by using these parameters to guide quantum mechanical and other simulations. The team will also spearhead the use of a machine learning algorithm capable of learning two or more features of the material and transparently showing their interaction.This award also supports the creation of educational resources that will be used to expose community college students to concepts of computational materials science and will facilitate formal and informal mentorship for community college students by faculty and undergraduate researchers at the University of Texas El Paso, and establishing research collaborations with researchers at the University of California Berkeley.TECHNICAL SUMMARYThis LEAPS-MPS award supports computational and theoretical research on how magnetic spin excitations (magnons) in the paramagnetic states of face-centered cubic and body-centered cubic iron affect the relative thermodynamic stability of the two phases at temperatures up to the melting point and pressures up to 15 GPa through their interaction with phonons. Simulations of the lattice dynamics from first principles are computationally expensive, and the inclusion of spin degrees of freedom can make the direct computation of the interaction prohibitive. Nevertheless, with an estimated contribution to the free energy of up to 35 meV/atom, the spin-lattice coupling cannot be ignored in calculations of the thermodynamics and phase stability of this system.The research team will approach the challenge by (i) empirically constraining the interatomic force constants, from which phonon dispersion relations can be computed via evolutionary computation, and (ii) developing machine learning models based on mathematical graphs capable of learning both atomic and spin configurations to be used in dynamics simulations.This award also supports the creation of educational resources that will be used to expose community college students to concepts of computational materials science and will facilitate formal and informal mentorship for community college students by faculty and undergraduate researchers at the University of Texas El Paso, and establishing research collaborations with researcher at the University of California Berkeley.This award reflects NSF's statutory mission and has been deemed worthy of support through evaluation using the Foundation's intellectual merit and broader impacts review criteria.
该奖项完全由2021年美国救援计划法案(公法117-2)资助。非技术性总结该LEAPS-MPS奖项支持高温高压下磁性对铁原子排列方式的影响的计算和理论研究。作为地球的主要组成部分之一,并且对我们的技术文明至关重要,铁是研究最深入的材料之一,但是同时包括磁性和铁原子由于温度而从其平衡位置的位移模式的量子力学模拟在计算上是禁止的。这些模拟仍然很重要,因为材料的许多物理和化学性质取决于原子的特定排列及其在平衡位置周围的振动,并且准确预测这种模式的能力可以使材料设计仅使用计算机模拟。研究小组将通过使用特定的计算机算法来有效地搜索导致与实验一致的预测的一般参数,并通过使用这些参数来指导量子力学和其他模拟来解决这一计算挑战。该团队还将率先使用一种机器学习算法,该算法能够学习材料的两个或多个特征,并透明地显示它们的相互作用。该奖项还支持创建教育资源,这些资源将用于让社区大学的学生接触计算材料科学的概念,并将促进社区大学的教师和本科生研究人员对社区大学学生进行正式和非正式的指导。德克萨斯大学埃尔帕索分校,并与加州伯克利大学的研究人员建立了研究合作。技术总结这个LEAPS-MPS奖项支持关于面心立方和体心立方顺磁态中的磁自旋激发(磁振子)如何在计算和理论上进行研究。心立方铁通过它们与铁的相互作用,在高达熔点的温度和高达15 GPa的压力下影响两相的相对热力学稳定性。声子从第一原理模拟晶格动力学是计算昂贵的,并且包含自旋自由度可以使相互作用的直接计算受到限制。尽管如此,由于自旋-晶格耦合对自由能的贡献估计高达35 meV/atom,因此在计算该系统的热力学和相稳定性时不能忽略自旋-晶格耦合。研究团队将通过以下方法来应对挑战:(i)凭经验限制原子间力常数,通过进化计算可以计算声子色散关系,以及(ii)开发基于数学图的机器学习模型,能够学习用于动力学模拟的原子和自旋配置。该奖项还支持创建教育资源,用于让社区大学生接触计算材料科学的概念,并将促进正式和由德克萨斯大学埃尔帕索分校的教师和本科生研究人员为社区学院的学生提供非正式的指导,并与加州伯克利大学的研究人员建立研究合作。该奖项反映了NSF的法定使命,并被认为值得通过使用基金会的智力价值和更广泛的影响审查标准进行评估来支持。
项目成果
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