Zakład Fizyki Niskich Temperatur

Cele badawcze

Realizowane są dwa główne cele badawcze. Pierwszy z nich nakierowany jest na badania nowoczesnych materiałów węglowych (GO, RGO, nano-diamenty, włókna węglowe) w obszarach spintorniki i elektroniki molekularnej oraz możliwości wykorzystania tych materiałów w obszarach energetyki (konwersja energii, superkondensatory i separacja izotopu He3). Drugi z celów dotyczy badań polarnych stanów w kwantowych paraelektrykach.

Profil badawczy

Działalność naukowa związana jest z badaniami niskotemperaturowymi w obszarze fizyki ciała stałego: przemian fazowych, nadprzewodnictwa, nanoukładów węglowych oraz fizyki cieczy kwantowych: 4He i 3He. Tematy badawcze realizowane są z wykorzystaniem następującej aparatury naukowej: spektrometru elektronowego rezonansu paramagnetycznego (4.2 - 300 K), układu do pomiarów dielektrycznych, podatności magnetycznej i zjawisk transportu: przewodnictwa elektrycznego i cieplnego z kriostatem wykorzystującym He3 (0.3 - 300 K) oraz spektrometru mas (detekcja koncentracji na poziomie 10^-3 ppm mas z zakresu 1 - 128 amu) pracującego w układzie do separacji izotopu He3 z ciekłego helu.

Programy badawcze

Projekt MNiSW - Nanoukłady węglowe dla elektroniki molekularnej i spintroniki (2010-2013), kierownik - dr hab. W. Kempiński, prof. IFM PAN,
Projekt NCN - Niskotemperaturowe badania polarnych stanów w kwantowym paraelektryku K_1-xLi_xTaO₃ (2011-2015), kierownik - prof. Z. Trybuła,
Projekt NCBiR - Pozyskiwanie izotopu 3He z ciekłego 4He (2012-2016), grant realizowany w ramach konsorcjum: IFM PAN - PGNiG S.A. Odział w Odolanowie - PWr, lider projektu - IFM PAN, kierownik - dr hab. W. Kempiński, prof. IFM PAN.

Osiągnięcia naukowe

Badania EPR i XPS tlenku grafenu (GO) oraz zredukowanego tlenku grafenu (RGO) w postaci czystej oraz domieszkowanej wybranymi molekułami pozwoliły przeanalizować zjawisko lokalizacji ładunku i spinu w tych materiałach i określić ich wysoką czułość na obecność molekuł gościa,
[M. Kempiński et al., Appl. Phys. Lett. 111 (8) 084102 (2017)],
Zagadnienia związane z konwersją energii wytyczają główne kierunki badań w zakresie materiałów węglowych. W materiałach kompozytowych grafitowego azotku węgla opisany został odwrotny efekt fotoelektryczny,
[M. Seredych, Sz. Łoś, et al., Chem. Sus. Chem 9 (2016) 795],
Na podstawie temperaturowych badań liniowej i nieliniowej podatności dielektrycznej wykryto istnienie polarnych nanoobszarów w czystym kwantowym paraelektryku KTaO₃ poniżej temperatury 40K,
[Z. Trybuła et al. Sol. State Commun. 209-210, 23 (2015)],
Systematyczne badania kryształu K_1-xLi_xTaO₃ pozwoliło na zaproponowanie mechanizmu powstania stanu ferroelektrycznego dla x>0,22,
[Z. Trybuła, et al. Mat. Res. Bull., 84, 298-302 (2016); Z. Trybuła, et al. Phys. Stat. Solidi B 253, No 6, 1076-1081 (2016)],
Polaryzacja spontaniczna powstaje w wyniku przesunięcia względem siebie jonów tantalu i tlenów w otoczeniu oktaedrycznym. Mechanizm ten umożliwia domieszka jonów litu, które zmniejszają wartość pola depolaryzacyjnego. Wyjaśniono także mechanizm dodatniej wartości trzeciego nieliniowego współczynnika podatności dielektrycznej χ3, którego przebieg temperaturowy określa charakter przejścia fazowego. Pokazano także, że w tej grupie kryształów ma miejsce współistnienie stanu ferroelektrycznego i relaksorowego,
[Sz. Łoś, et al. J. Phys. Chem. A 120, 8970-8975 (2016), Z. Trybuła et al. Phase Transitions 89 (7-8) 794-802 (2016)],
Szerokie spectrum technik eksperymentalnych stosowanych w badaniach zjawiska lokalizacji i transportu elektrycznego w nanomateriałach węglowych zawarto w pracy:
[W. Kempiński et al. Beilstein J. Nanotechnol. 5 (2014) 1760-1766],
W oparciu o badania EPR i czteropunktowego przewodnictwa elektrycznego zaproponowano model przewodnictwa przeskokowego dla układów aktywowanych włókien węglowych,
[M. Kempiński et al., Appl. Phys. Lett. 88, 143103 (2006), W. Kempiński et al. Carbon 57, 530 (2013)],
Zbadano wpływ promieniowania ultradźwiękowego na strukturę kryształów grafitu i możliwość otrzymania przy jej pomocy pojedynczych płaszczyzn grafenowych. Metoda może być wykorzystana jako alternatywna i tańsza względem metod chemicznych lub innych fizycznych, obecnie stosowanych,
[Sz. Łoś et al., Micropor. Mesopor. Mat. 130, 21 (2010), Sz. Łoś et al. Carbon 55, 53 (2013)],
W latach 20013-2016 Zakład Fizyki Niskich Temperatur realizował trzy projekty badawcze. Jeden z projektów został zakończony w roku 2013, dwa pozostałe w latach 2015 -2016. Każdy z projektów finansowany był z oddzielnego źródła: NCN, MNiSW oraz NCBiR. Dużym sukcesem było zawiązanie Konsorcjum Naukowego, w skład którego weszły trzy podmioty: IFM PAN, PGNiG S.A. w Warszawie, Oddział w Odolanowie i Politechnika Wrocławska. Liderem Konsorcjum został IFM PAN. W ramach tego projektu podjęto próbę wzbogacenia mieszaniny He4/He3 w izotop He3. Pozytywne wyniki uzyskano zarówno w badaniach laboratoryjnych (układ do separacji statycznej) jak i przemysłowych (separacja dynamiczna w separatorze przepływowym). Projekt PiHe3 realizowany był z udziałem jedynego producenta ciekłego helu w kraju i w Europie - PGNiG S.A. w Warszawie, Oddział w Odolanowie,
[M. Chorowski et al. Cryogenic Engineering, Book Series: AIP Conference Proceedings 1573 (2014) 276-284].