氮化铬CrN是一种用于工业的磁性材料，包括硬质表面涂层。研究人员也很感兴趣，因为它在高温下是一种不良的导热体，例如，这使得它适用于热电系统。在这样的系统中，材料传导电流而不导热。然而，在稍高的温度下，氮化铬的行为有些不同寻常。氮化物是含有氮、氮和另一种元素的化合物。大多数氮化物的导热能力会慢慢降低，但随着温度的升高肯定会降低。相反，在适度升温后，氮化铬的热导率急剧下降，然后即使当材料被加热到600时也保持在恒定的低水平。这种行为背后的机制多年来一直困扰着研究人员。近十年来，材料科学的理论研究取得了重大突破。研究人员已经确定了哪种计算方法最准确，并获得了一台足够强大的超级计算机来执行计算。
LiU的理论物理研究员bjrnalling说：“在磁性材料如何在高温下工作的特殊情况下，我们的知识存在很大的漏洞。大约四年前，也就是2014年底，他与杜塞尔多夫马克斯普朗克科学研究所(Max-Planck-Institut freisenforschung)的研究人员合作，获得了瑞典研究委员会的重要研究资助，试图填补这一空白。bjrnalling在该研究所工作了两年，是磁性材料研究领域的全球领导者。合作很成功，一篇文章发表在《物理评论快报》杂志上。该小组描述了一种在加热过程中精确计算氮化铬的新方法。最后，我们的理论计算与材料的行为一致。
“我们想了解材料，不管它们的温度、压力和成分如何，并且能够准确地描述它们。我们开发的理论和方法为开发工业应用提供了稳定的基础。通过实验来确定这个基础是不可能的，”bjrnalling说。他们开发的方法给出了高精度的结果，这意味着计算要求很高。在固体材料中，原子排列成有序的晶体结构，它们之间有一定的距离。当材料被加热时，原子开始振动。磁性材料中的每个原子都包含一个指南针，可以认为是一个微小的针，以及一个具有正端和负端的偶极子。在经典的磁性材料中，如铁，针都指向同一个方向，这使得材料具有典型的磁性。然而，当材料被加热时，指南针开始以不可预测的方式旋转。有些方法可以分别高精度地计算和模拟振动和旋转，但它们预测热导率会逐渐降低。氮化铬不是这种情况。
“我们现在已经开发了一种方法来描述原子振动在飞秒时间尺度上的变化，并使用量子力学来计算原子中的力。为此，我们增加了自旋动力学的计算——原子中的磁力旋转了多少，然后我们把这个计算放回到原子如何振动的动力学模型中，”bjrnalling解释道。这种方法是成功的。“氮化铬因其在稍高温度下的低热导率而引人注目。现在我们可以证明原因，我们的模拟可以准确预测行为。没有人能成功做到这一点。”
并且需要一个多月的处理器时间来计算和模拟30皮秒内材料的出现，从而为LiU国家超级计算机中心和杜塞尔多夫的研究人员提供资源。“我们已经能够将对基础物理和量子现象的深刻理解结合起来，我们已经获得了足够的计算机能力。这种方法要在科学界广泛应用还需要一段时间，因为计算是如此精确和苛刻，但我们必须用这种方法取得进展，”bjrnalling说。下一步是将这种方法应用于铁及其合金。这是人类历史上最古老的材料之一，但我们对它的了解仍然不深。“这是一项理论研究，具有很大的实际应用价值，尤其是在钢铁行业，”bjrnalling说。
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