Doctoral Thesis

Theoretical study of magnetic states in alloys with different levels of ordering

Final Thesis 9.05 MB Summary of Thesis 6.5 MB

Author of thesis: Ing. Pavel Papež

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: Mgr. Martin Friák, Ph.D.

Reviewers: prof. Mgr. Miroslav Černý, Ph.D., Priv.-Doz. Mgr. David Holec, Ph.D.

Abstract:

This work is focused on ab initio study of magnetism in three different materials, high entropy alloy CoCrNi, pure alpha-Mn and intermetallic compound YMn2. Ab initio methods allow for easy access to materials properties without the need for experimental measurements. All ab initio calculations in this work were done  using the Vienna Ab initio Simulation Package (VASP) and the projector augmented waves (PAW) method while the molecular dynamics simulations were done in the program LAMMPS in combination with the GRACE universal machine learned potential. This work employed the ab initio methods to describe the effect of short-range order on magnetic moments, charge transfer and the phase stability in CoCrNi alloy. Some of these results were compared to one of the universal machine learned potential to parse its performance. The relative phase stability was further evaluated by the molecular dynamics simulation to obtain its temperature dependence. Furthermore, different possible magnetic arrangements in the intermetallic compound YMn2 were calculated in order to find the ground state magnetic arrangements. After successfully obtaining the complicated magnetic structure of pure Mn by metaGGA functional, the same functional was used on YMn2 as well in order to obtain experimental magnetic structures.

Keywords:

Ab initio, VASP, high entropy alloy, intermetallics, CoCrNi, YMn2, alpha-Mn, GRACE, metaGGA, LAMMPS

Date of defence

24.09.2025

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaPznamka

Process of defence

Disertační práce přináší řadu originálních a zajímavých výsledků studia magnetismu ve slitině s vysokou entropií CoCrNi a v intermetalické fázi YMn2 za pomocí ab initio metod. Tyto výsledky jsou dále rozšířeny o data z meziatomových potenciálů získaných pomocí strojového učení. Aktuálnost a dostatečnou vědeckou úroveň práce dokládají i 3 impaktované publikace, na jejichž vzniku se Ing. Papež podílel a které byly ke dni obhajoby 29x citované.

Language of thesis

English

Faculty

Fakulta strojního inženýrství

Department

Institute of Materials Science and Engineering

Study programme

Materials Sciences (D-MAT-P)

Composition of Committee

prof. Mgr. Miroslav Černý, Ph.D. (předseda)
prof. RNDr. Mojmír Šob, DrSc. (člen)
doc. Mgr. Jana Pavlů, Ph.D. (člen)
prof. RNDr. Pavel Šandera, CSc. (člen)
Priv.-Doz. Mgr. David Holec, Ph.D. (člen)

Supervisor’s report
Mgr. Martin Friák, Ph.D.

Předkládaná disertační práce Ing. Pavla Papeže obsahuje jak stručný úvod do teoretických metod využívaných při studiu magnetických materiálů s různým stupněm uspořádání, tak výsledky získané pro slitinu CoCrNi, intermetalickou sloučeninu YMn2 a čistou fázi alpha-Mn. Za velmi cenné považuji to, že ing. Papež nepoužíval pouze kvantově-mechanické výpočty, ale také několik typů meziatomových potenciálů získaných strojovým učením. Výsledky kriticky srovnává a ukazuje, že magnetické materiály jsou i pro moderní výpočetní metody využívající nástroje umělé inteligence velkou výzvou a přesnost jejich předpovědí zatím není dostatečná.

Cílem práce bylo prozkoumat vliv uspořádání v materiálech na jejich magnetické stavy pomocí teoretických metod výpočetní materiálové vědy. Jako příklad materiálu s různou mírou chemického uspořádání atomů je vybrána slitina CoCrNi. Ing. Papež ji simuluje ve dvou různých krystalických strukturách (hcp a fcc) a pro několik úrovní uspořádání atomů v těchto krystalech. Spočtené energie, lokální magnetické momenty atomů a elektronovou hustotu pak porovnává. Výsledky byly opublikovány ve dvou impaktovaných publikacích v uznávaných mezinárodních časopisech (na jedné je Ing. Papež prvním autorem).

Jako příklad materiálu, který je chemicky sice uspořádaný, ale může vykazovat různorodé magnetické stavy, je vybrána intermetalická sloučenina YMn2. Její složitost spočívá v existenci několika kolineárních magnetických stavů a dokonce některých nekolineárních stavů s podobnou energií. Ing. Papež energetiku těchto stavů pečlivě studuje a hledá základní stav. O výsledcích chystáme impaktovanou publikaci.

Ing. Papež doposud úspěšně složil všechny plánované zkoušky a v rámci řešení své disertační práce si osvojil pokročilé výpočetní metody, např. kvantově-mechanické výpočty nekolineárních magnetických stavů, metaGGA funkcionály, nebo moderní přístupy založené na meziatomových potenciálech využívajících nástrojů umělé inteligence jako jsou univerzální potenciály CHGNet a GRACE získané strojovým učením.

Na kvalitu vědecké práce Ing. Papeže lze usuzovat i z toho, že se aktivně účastnil řešení dvou projektů GAČR. Jeho dosažené výsledky jsou součástí celkem tří vědeckých článků publikovaných v uznávaných mezinárodních časopisech (na jednom z nich je Ing. Papež hlavním autorem) a řady konferenčních příspěvků. V roce 2024 také absolvoval tříměsíční vědecký pobyt v zahraničí v rakouském Leobenu. Mimo vědecké aktivity se Ing. Papež podílí také na výuce a je platnou součástí týmu ÚMVI.

Předloženou disertační práci doporučuji k obhajobě a doporučuji známku výborně / A.

Grade proposed by supervisor: A

Reviewer’s report
prof. Mgr. Miroslav Černý, Ph.D.

viz. posudek v PDF
File inserted by the reviewer Size
Posudek oponenta [.pdf] 115,07 kB

Reviewer’s report
Priv.-Doz. Mgr. David Holec, Ph.D.

viz. posudek v PDF
File inserted by the reviewer Size
Posudek oponenta [.pdf] 98,35 kB

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová