Cele badawcze

Badania mają charakter poznawczy, ich celem jest interpretacja niewyjaśnionych do tej pory zjawisk fizycznych zachodzących w nanostrukturach oraz modelowanie tych nanostruktur. Badania dotyczą zagadnień istotnych z praktycznego punktu widzenia, związanych z nanotechnologią, spintroniką i kalorytroniką spinową. Szczególną uwagę zwraca się na problemy dotyczące transportu spinowego, korelacji elektronowych (hubbardowskie, blokada kulombowska, efekt Kondo) i niedoskonałości strukturalnych (efekty brzegowe, interfejsy, defekty, domieszki, pofałdowanie powierzchni itd.). Rozwijanie teorii opartej na wykorzystaniu spinowego (obok ładunkowego) stopnia swobody elektronu nawiązuje do innowacyjnych, energooszczędnych koncepcji elektroniki przyszłości, istotnych dla ochrony środowiska naturalnego i gospodarki.

Profil badawczy

Badania teoretyczne zjawisk elektronowych, magnetycznych i magneto-termoelektrycznych w układach nanoskopowych. W szczególności intensywnie badane są nanostruktury węglowe (nanorurki i grafen), układy grafenopodobne oraz kropki kwantowe. Stosowany jest szeroki wachlarz metod obliczeniowych, począwszy od metod analitycznych i wstępnej analizy przy pomocy prostych programów poprzez obliczenia w modelu ciasnego wiązania, aż do zaawansowanych obliczeń z pierwszych zasad. W badaniach transportowych używana jest technika funkcji Greena w kombinacji z metodą Landauera-Büttikera i formalizmem Keldysha (w przypadku nierównowagowym).

Programy badawcze

• Projekt 6 PR UE - Carbon nanotube devices at the quantum limit CARDEQ (2006-2009), kierownik - prof. S. Krompiewski
• Projekt MNiSW - Przyrządy z nanorurek węglowych w limicie kwantowym (2006-2009), kierownik - prof. S. Krompiewski
• Projekt promotorski MNiSW - Analiza wpływu silnych korelacji na transport elektronowy w nanostrukturach (2009-2010), kierownik - dr hab. S. Lipiński, prof. IFM PAN (doktorant - mgr inż. D. Krychowski)
• Projekt MNiSW - Wpływ topologii, interfejsów i korelacji elektronowych na transport ładunku i spinu w nanostrukturach grafenowych (2010-2013), kierownik - prof. S. Krompiewski
• Projekt NCN - Grafenowe (oraz podobne) nanostruktury dla spintroniki i kalorytroniki spinowej. Studia teoretyczne (2014-2017), kierownik - prof. S. Krompiewski

Osiągnięcia naukowe

• Zbadano spinowy efekt Halla w jedno- i dwuwarstwowym grafenie. Pokazano, że w przypadku pola prostopadłego do płaszczyzny grafenowej istnieje przejście od fazy topologicznego izolatora do fazy zwykłego izolatora
• Wykonano modelowe obliczenia szumu ziarnistego dla podwójnego magnetycznego złącza tunelowego. Przewidywania teoretyczne zweryfikowano przez porównanie z wynikami eksperymentalnymi dla Fe/MgO/Fe/MgO/Fe
• Zbadano wpływ poprzecznej anizotropii magnetycznej na prądowe przełączanie spinu pojedynczego atomu lub pojedynczej magnetycznej molekuły. Pokazano, że zjawisko kwantowego tunelowania namagnesowania uwidacznia się w pewnych polach rezonansowych, gdy przynajmniej jedna elektroda jest ferromagnetyczna
• Pokazano, że w obszarze poza osobliwościami van Hove’a polaryzacja spinowa domieszki dla symetrii SU(2) jest przeciwna do polaryzacji dwuwarstwy grafenowej, a dla SU(4) zgodna. W pobliżu osobliwości stwierdzono możliwość odwrócenia momentu magnetycznego domieszki
• Zbadano wpływ interfejsów między elektrodami a strukturą grafenową oraz krawędziowych stanów elektronowych (w tym tworzących się momentów magnetycznych) na transport elektronowy
• Zastosowano efektywną metodę rekurencyjną (knitting) do zbadania transportu elektronowego w grafenie z wieloma elektrodami. Stwierdzono istnienie dużego efektu typu zaworu spinowego w przypadku czterech elektrod umieszczonych centralnie na bokach kwadratowego płatka grafenowego
• W oparciu o obliczenia struktury pasmowej ab initio oraz stosując kilka komplementarnych technik analizy efektów wielociałowych zbadano efekt Kondo dla atomu kobaltu osadzonego na pasku grafenowym typu zygzak. Przedyskutowano współzawodnictwo spinowych i orbitalnych stopni swobody oraz detali struktury elektronowej i magnetycznej pasków na powstawanie rezonansu Kondo
• Pokazano, że momenty magnetyczne na krawędziach pasków grafenowych typu zygzak mogą ulec znacznemu osłabieniu lub całkowitemu wygaszeniu po przyłożeniu zewnętrznych elektrod prądowych. Efekt silnie zależy od własności elektronowych interfejsu grafen/elektroda oraz od odległości między elektrodami
• Zbadano też wpływ niedoskonałości strukturalnych badanych nanostruktur, w tym wspomnianych już efektów brzegowych, granic między ziarnami w strukturach polikrystalicznych i tzw. antykropek (pustych obszarów).

W latach 2009-2017 Zakład Teorii Nanostruktur realizował 5 programów badawczych (w tym 1 europejski i 1 bilateralny „Harmonia”). Projekty te poświęcone były badaniom zjawisk fizycznych zachodzących w nanorurkach węglowych, grafenie oraz w nanostrukturach grafenopodobnych o potencjalnym znaczeniu dla nowatorskich zastosowań w nanoelektronice i spintronice.

.

Cele badawcze

Realizacja badań eksperymentalnych z uwzględnieniem interpretacji teoretycznej w dziedzinie układów o silnie skorelowanych elektronach, w szczególności sieci Kondo, układów z domieszkowym efektem Kondo, fluktuującą walencyjnością, szkieł spinowych. Charakteryzacja zdolności do zeszklenia stopów amorficznych oraz badanie procesów krystalizacji zachodzących w stopach metastabilnych strukturalnie. Poszukiwanie nowych materiałów magnetokalorycznych i termoelektrycznych o optymalnych dla zastosowań parametrach.

Profil badawczy

Otrzymywanie związków i stopów międzymetalicznych na bazie pierwiastków ziem rzadkich w formie krystalicznej, nanokrystalicznej i amorficznej. Charakterystyka strukturalna (dyfrakcja rentgenowska) oraz określanie w szerokim zakresie temperatur właściwości magnetycznych (magnetometria wibracyjna, podatność magnetyczna stało- i zmiennoprądowa), elektrycznych (opór elektryczny, magnetoopór, efekt Halla), cieplnych (ciepło właściwe, przewodnictwo cieplne, siła termoelektryczna).

Programy badawcze

1. Grant PRELUDIUM -12 - Materiały magnetycznie twarde bez lantanowców otrzymywane z faz metastabilnych strukturalnie (03.07.2017-02.07.2020), kierownik mgr inż. Andrzej Krzysztof Musiał
2. Projekt MNiSW - Amorficzne materiały magnetokaloryczne na bazie metali przejściowych z lantanowcami (2012-2013), kierownik - dr inż. Z. Śniadecki
3. Projekt MNiSW - Wpływ zmian strukturalnych na własności magnetyczne i elektronowe faz Lavesa RCo2 (R=Y lub lantanowiec) (2011-2014), kierownik - prof. B. Idzikowski
4. Projekt MNiSW - Efekt magnetokaloryczny w związkach międzymetalicznych (2011-2013), kierownik - dr hab. T. Toliński, prof. IFM PAN
5. Projekt MNiSW - Własności magnetyczne i elektronowe związków międzymetalicznych z niestabilną powłoką 4f (2009-2011), kierownik - dr hab. A. Kowalczyk, prof. IFM PAN
6. Projekt MNiSW - Zjawiska krytyczne w związkach z cerem zależne od wielkości ziaren w nanoskali (2008-2011), kierownik - prof. B. Idzikowski
7. Projekt MNiSW - Badanie własności metastabilnych związków i stopów międzymetalicznych wspierane obliczeniami ab initio (2008-2009), kierownik - prof. B. Idzikowski
8. Projekt MNiSW - Magnetyzm, własności termodynamiczne i transportowe związków z cerem o strukturze CaCu5 (2007-2009), kierownik - dr hab. T. Toliński, prof. IFM PAN
9. Projekt promotorski MNiSW - Amorfizacja międzymetalicznych związków Dy(Mn,Fe)6(Ge,Al)6 i poznanie ich własności (2007-2009), kierownik - prof. B. Idzikowski (doktorant - mgr inż. Z. Śniadecki)
10. Projekt promotorski MNiSW - Własności magnetyczne i elektronowe związków międzymetalicznych RNi4Si (R=lantanowiec) (2007-2009), kierownik - dr hab. A. Kowalczyk, prof. IFM PAN (doktorant - mgr inż. M. Falkowski)

Osiągnięcia naukowe

• Zaobserwowana została skokowa zmiana gęstości badanych materiałów (przy zmianie stechiometrii, dla składów Hf₁Cr₁Co₁₁B i Hf_0.5Cr_1.5Co₁₁B), która jest skorelowana ze zmianą struktury, z amorficznej w krystaliczną. Pomiary zostały wykonane nowatorska metodą (z wykorzystaniem mikroskopu konfokalnego) pozwalającą na pomiary próbek o małych objętościach [Śniadecki et al. Materials Characterization 132, 46 (2017)]
• Potwierdzono współistnienie dwóch faz Hf₂Co₁₁ na podstawie pomiarów XRD oraz termomagnetycznych w stopie Hf₂Co₁₁B [A. Musiał et al. J. Alloys Compd. 665, 93 (2016)]
• W oparciu o pomiary podatności magnetycznej stało- oraz zmiennoprądowej wyznaczono magnetyczny diagram fazowy dla serii stopów Ce(Cu_1-xNi_x)₄Mn. Ma on złożony charakter, między innymi wskazuje na obecność obszarów współistnienia fazy ferromagnetycznej i szkła spinowego [K. Synoradzki, T. Toliński, Materials Chemistry and Physics, 177, 242-249 (2016)]
• Zaobserwowano i opisano wpływ nieporządku chemicznego oraz topologicznego na właściwości magnetyczne związków bazujących na paramagnetyku Pauliego YCo2 [Z. Śniadecki et al., J. Appl. Phys. 115, 17E129 (2014), Z. Śniadecki et al., Appl. Phys. A 118, 1273 (2015), A. Wiśniewski et al., J. Alloys Compd. 618, 258 (2015)]
• Korzystając z półempirycznych modeli określono zdolność do zeszklenia układów trójskładnikowych na bazie metalu przejściowego. Obliczono zakresy stechiometrii, dla których stopy ulegają łatwej amorfizacji [Z. Śniadecki, J. Alloys Compd. 615, S40 (2014)]
• Określono właściwości magnetyczne oraz parametry charakteryzujące efekt magnetokaloryczny w dwupodsieciowych ferrimagnetykach na bazie kobaltu i pierwiastka ziem rzadkich [Z. Śniadecki et al., J. Alloys Compd. 584, 477 (2014)]
• Wyjaśniono mechanizm amorfizacji grupy stopów amorficznych Y(Ce)-Cu-Al i opisano wpływ elektronów 4f na właściwości magnetyczne, transportowe oraz cieplne [B. Idzikowski et al., J. Non-Cryst. Solids 357, 3717 (2011), B. Idzikowski et al., J. Non-Cryst. Solids 383, 2 (2014)]
• Dla dużej grupy związków na bazie ceru określono wpływ elektrycznego pola krystalicznego na ich właściwości fizyczne. Oparto się na pomiarach podatności magnetycznej, ciepła właściwego oraz nieelastycznego rozpraszania neutronów [T. Toliński et al., J. Magn. Magn. Mater. 345, 243 (2013)]
• Wyznaczono po raz pierwszy: dla związku Mn5Ge3 adiabatyczną zmianę temperatury, wpływ rozmiaru ziaren na wydajność efektu magnetokalorycznego oraz dla wybranych związków z serii RNi4M (R - ziemia rzadka, M - metal, metaloid) parametry charakteryzujące efekt magnetokaloryczny [T. Toliński et al., Intermetallics 47, 1 (2014), T. Toliński et al., J. Alloys Compd. 523, 43 (2012)]
• Komplementarne badania izostrukturalnej serii związków Ce(Cu1-xNix)4MnyAl1-y pozwoliły skonstruować magnetyczne diagramy fazowe dla czterech transformacji między różnymi stanami podstawowymi (stan ferromagnetyczny, szkła spinowego, fluktuującej walencyjności, ciężkofermionowy). [K. Synoradzki et al., J. Phys.: Condens. Matter 24, 136003 (2012)]
• Pomiary podatności magnetycznej w szerokim zakresie temperatur (2 - 1000 K) dla związku YbNiAl4, wsparte modelem fluktuacji międzykonfiguracyjnych (ICF), wykazały występowanie fluktuacji między walencyjnością Yb3+ a Yb2+. Związek ten nie jest układem ciężkofermionowym, o czym świadczy mała wartość współczynnika elektronowego ciepła właściwego [A. Kowalczyk et al., J. Appl. Phys. 107, 123917 (2010)]
• Wyznaczono i wyjaśniono przebiegi siły termoelektrycznej w sieciach Kondo CeCu4M oraz w związkach wykazujących fluktuującą walencyjność CeNi4M (M = In, Ga) [T. Toliński et al., J. Alloys Compd. 490, 15 (2010)]
• Poza dostępnymi w Zakładzie technikami, w prowadzonych badaniach stosowano wiele komplementarnych metod eksperymentalnych dostępnych w ramach współpracy międzynarodowej (dyfrakcja neutronów, nieelastyczne rozpraszanie neutronów, pomiary z wykorzystaniem promieniowania synchrotronowego)

• Spektrometr Ramana NIR - FT (IFS 66 FRA 106, Bruker)
• Mikroskop ramanowski z kriostatem helowym – zakup sfinansowany przez Fundacje Nauki Polskiej w 1996 r.
• Aparatura do spektroskopii dielektrycznej w zakresie częstości 10 - 10⁹ Hz oraz temperatury 10 - 500 K.
• Aparatura do badań przewodnictwa elektrycznego w zakresie częstości do 10⁹ Hz.
• Aparatura do badan optycznych w zakresie temperatur 70 - 870 K (Linkam).
• Skaningowy kalorymetr różnicowy - Netzsch DSC 200

  

• Młyn kulowy (Pulverisette 6, Fritsch)
  

  

  

Współpraca naukowa

• University of Stuttgart, Stuttgart, Niemcy (Prof. Frank Giesselmann)
• Academy of Sciences of the Czech Republic, Praga, Republika Czeska (Prof. M. Glogarova, Dr V. Hamplova,Dr A. Bubnov, Dr V. Novotna)
• University of Picardy, Amiens, Francja (Prof. Jiri Pavel)
• Chalmers University of Technology, Göteborg, Szwecja (Prof. P. Rudquist)
• Landau Institute for Theoretical Physics, Moskwa, Rosja (Prof. V.A. Belyakov)
• Politechnika Poznańska, Wydział Fizyki Technicznej, Poznań (Prof. P. Pierański, Prof. T. Martyński, Dr E. Chrzumnicka, Dr A. Modlińska, Dr R. Hertmanowski, Dr hab. A. Ptak oraz Dr inż. S. Maćkowiak)
• Wojskowa Akademia Techniczna, Wydział Fizyki i Technologii Kryształów, Warszawa (Prof. R. Dąbrowski, Prof. Z. Raszewski, Prof. J. Kędzierski, Prof. P. Perkowski, Prof. W. Piecek, Prof. M. Tykarska, Dr P. Kula) 
• University of London, Royal Holloway, Department of Physics, Londyn, Anglia (Prof. D. M. Heyes)
• Imperial College of London, Department of Mechanical Engineering, Londyn, Anglia (Prof. D. Dini)
• Instytut Technologii Drewna, Poznań, (Dr D. Janiszewska)
• Uniwersytet Wrocławski, Wydział Chemii, Wrocław (Prof. Zbigniew Galewski)