Współpraca naukowa

• Institut des Sciences Chimiques de Rennes, UMR 6226 CNRS Universite de Rennes, Rennes, Francja (Prof. F. Camerel)

• Katholieke Univ Leuven, Department of Chemistry, Lab Mol Elect & Photon, Leuven, Belgia (Prof. K.  Clays)

• Materials and Engineering Research Institute, Sheffield Hallam University, Wielka Brytania (Prof. A. Alderson)

• Instytut Fizyki, Uniwersytet w Zielonej Górze, Polska (prof. M. Dudek)

• Department of Chemistry, University of Malta, Malta (Prof. J. N. Grima)

• Department of Chemistry, Ulsan National Institute of Science and Technology , Korea Południowa (Prof. B. Grzybowski)

• Department of Physics, Royal Holloway, University of London, Wielka Brytania (Prof. D. M. Heyes)

• KFKI Atom Energy Res Inst, H-1525 Budapeszt, Węgry (prof. A. R. Imre)

• Department of Engineering Physics, University of Wisconsin, USA (Prof. R. S. Lakes)

• School of Science and Technology, Singapore University of Social Sciences, Singapur (Prof. T.-C. Lim)

• Wydział Fizyki Technicznej i Matematyki Stosowanej, Politechnika Gdańska, Gdańsk, Polska (prof. J. Rybicki)

• Aerospace Engineering, University of Bristol, Wielka Brytania (Prof. F. S. Scarpa)

• Instytut Mechaniki Stosowanej, Politechnika Poznańska, Poznań, Polska (prof. T. Stręk)

• School of Engineering, Computing and Mathematics, University of Exeter, Wielka Brytania (Prof. Y.-C. Wang)

• Sciences Chemiques de Rennes, Universite de Rennes I, Campus de Beaulieu, Batiment 10, Avenue du General Leclerc, 35042 Rennes Cede, Francja

• Institute of Crystallography RAS, Leninsky Prospect 59, 117333 Moskwa, Rosja

• F. Ioffe Physico-Technical Institute RAS, Polytekhnicheskaya Street 26, 194021 St Petersburg, Rosja

• Department of Plant Physiology, Poznań University of Life Sciences, Wołyńska 35, Poznań 60-637, Polska

• Department of Plant Physiology, Vinh University, Le Duan 182, Vinh City, Vietnam

• Politechnika Poznańska; Wydział Technologii, Chemicznej; Instytut Technologii i Inżynierii Chemicznej i Mechanicznej i Mechatroniki; Instytut Fizyki

• Uniwersytet Przyrodniczy w Poznaniu; Wydział Technologii Drewna; Instytut Chemicznej Technologii Drewna

• Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny w Szczecinie; Wydział Inżynier

• J. Stefan Institute and Institute of Mathematics, Physics and Mechanics, University of Ljubljana, Ljubljana, Słowenia

• Ludwig-Maximilians-Universität, Department of Earth and Environmental Physics, Crystallography Section, Monachium, Niemcy

• Max-Planck-Institut für Chemische Physic fester Stoffe, Drezno, Niemcy

• Division of Materials Science, Korea Basic Science Institute, Daejeon, Korea

• Dnepropetrovsk National University, Nauchnaya Ul 13, UA-49625 Dnepropetrovsk, Ukraine

Konsorcja i sieci

• Centrum Układów Złożonych i Materiałów Inteligentnych (COSSMAT – Centre for Complex Systems and Smart MATerials)

  Koordynator: prof. dr hab. Krzysztof Witold Wojciechowski

  Uczestnicy:
  

  • Research Group of Working Fluids, Department of Energy Engineering, Faculty of Mechanical Engineering, Budapest University of Technology and Economics, Węgry
    Kierownik: prof. dr hab. Attila R. Imre

  • Department of Civil Engineering, National Cheng Kung University, Tajwan
    prof. dr Yun-Che Wang

  • T.C. Lim Group
    Kierownik: prof. dr Teik-Cheng Lim

  • Auxetic Materials Research Group, Materials and Engineering Research Institute,
    Sheffield Hallam University, United Kingdom
    Kierownik:  prof. dr Andrew Alderson

  • Instytut Mechaniki Stosowanej, Wydział Inżynierii Mechanicznej, Politechnika Poznańska
    dr hab. Tomasz Stręk, prof. PP

  • Zakład Fizyki Materiałowej i Medycznej, Instytut Fizyki, Uniwersytet Zielonogórski
    Kierownik: prof. dr hab. Mirosław Dudek

  • Zakład Fizyki Ciekłych Kryształów i Układów Dielektrycznych (ZN6)
    Kierownik: prof. dr hab. Arkadiusz Brańka

  • Grupa Symulacji Komputerowych, Zakład Fizyki Ciała Stałego, Wydział Fizyki Technicznej i Matematyki Stosowanej, Politechnika Gdańska
    Kierownik: prof. dr hab. Jarosław Rybicki

  • Zakład Auksetyków, Materiałów Funkcjonalnych i Symulacji Komputerowych (ZN1)
    Kierownik: prof. dr hab. Konstantin Tretiakov

  Centrum Układów Złożonych i Materiałów Inteligentnych powołano w celu integracji środowiska naukowego oraz prowadzenia wspólnej działalności badawczej w obszarze miękkiej materii.

Wyposażenie

• Spektrometr elektronowego rezonansu paramagnetycznego (EPR) firmy Radiopan (typ SE/X), pracujący w pasmie mikrofalowym X (9,4 GHz), wyposażony w miernik częstotliwości MCM 101, magnetometr jądrowy JTM-147 oraz kriostat przepływowy Oxford (typ ESR 900) z zakresem temperatur od 4 do 300 K
  
• Stanowisko badawcze do pomiarów dielektrycznych, podatności magnetycznej i zjawisk transportu: przewodnictwa elektrycznego i cieplnego w zakresie temperatur od 0,3 do 300 K. W skład stanowiska wchodzą:
  • kriostat z izotopem helu He3 (0,3 - 300 K)
  • kriostat przepływowy He4 (3,5 - 300 K)
  • AVS-47 Resistance Bridge, Picowatt RV-Elektronikka OY, mostek z ośmioma kanałami pomiarowymi oporu elektrycznego w zakresie od 0,0001 Ω do 2 MΩ, w zmiennym polu elektrycznym o częstotliwości 12,5 Hz i mocą pomiarową 10-12 W
  • TS-530A Temperature Controller Picowatt RV-Elektronikka OY, regulator temperatury do regulacji temperatury w kriostacie z He3
  • Oxford Inteligent Temperature Controller ITC 503, do regulacji temperatury w kriostacie przepływowym z He4
  • Agilent E 4980A Precision LCR Meter, pracujący w zakresie od 20 Hz do 2 MHz
  • 4275A Multi-Frequency LCR Meter Hewlett-Packard, pracujacy w zakresie od 10 kHz do 10 MHz
  • 2410-C 1100 V SourceMeter Kethley
  • 6517B Electrometer/High Resistance Meter, Kethley
    
• Układy do badania efektów kwantowych w nadciekłym helu o zakresie pracy od 1,5 K, w skład których wchodzi:
  • podwójny układ dewarów szklanych do badania wydajności filtrów entropowych
  • układ o pojemności 25 LHe z wymiennikiem ciepła do badania skuteczności filtrów entropowych oraz membran
• Prototyp separatora izotopu He3 z możliwością pomiaru zawartości He3 w He4 na poziomie 10-3ppm, którym Zakład dysponuje w ramach Konsorcjum naukowego: ”IFM PAN – PGNiG SA Oddział w Odolanowie – PWr”
• Ponadto w skład wyposażenia Zakładu wchodzą m.in.:
  • mostek cyfrowy RLC Digibridge 1689M Gen. Rad.
  • oscyloskop LeCroy WaveSurfer 422 o zakresie pomiarowym do 200 MHz
  • spektrometr Ramana NIR-FT Bruker IFS 66 FRA 106
  • mikroskop ramanowski z kriostatem helowym (sfinansowany przez Fundację Nauki Polskiej)
  • spektrometr dielektryczny Novocontrol o dostępnym zakresie częstości od 10-1 do 109 Hz oraz temperatury od 10 do 500 K
  • aparatura do badań przewodnictwa elektrycznego w zakresie częstości do 109 Hz
  • mikroskop firmy Linkam do badań optycznych w zakresie temperatur od 70 do 870 K
  • skaningowy kalorymetr różnicowy Netzsch DSC 200
  • młyn kulowy Fritsch Pulverisette 6

Obszar badawczy

Dynamika spinowa w nanomateriałach węglowych, komunikacja i kryptologia kwantowa oraz innowacyjne ferroiki w elektronice ciała stałego.

Cele badawcze

Zakład Fizyki Niskich Temperatur, Materiałów i Technologii Kwantowych prowadzi fundamentalne badania naukowe, zarówno teoretyczne jak i eksperymentalne, które dotyczą zjawisk, właściwości nanoukładów fizycznych oraz nowych materiałów, wykazujących unikalne cechy związane z efektami kwantowymi, występującymi często w obszarze niskich temperatur. Ważną aktywnością zakładu są także prace badawczo-rozwojowe w obszarze energetyki oraz ochrony przed stałymi oraz zmiennymi polami elektromagnetycznymi.

Profil badawczy

Przedmiotem badań teoretycznych są układy kropek kwantowych, kwantowo-atomowe złącza punktowe, elektronowe układy jedno- oraz dwuwymiarowe, układy hybrydowe na bazie heterostruktur półprzewodnikowych, pojedynczych molekuł, ferromagnetyków, nadprzewodników, a także układy silnie skorelowane, układy z efektem Kondo, współtunelowaniem, transportem elektrycznym zależnym od spinu, elektronowy rezonans spinowy pojedynczych atomów i kropek kwantowych. Zakład zajmuje się również kryptografią kwantową oraz prostymi protokołami kwantowymi w ramach informatyki kwantowej. Badania te prowadzone są przy wykorzystaniu zaawansowanych metod obliczeniowych, takich jak perturbacyjne techniki skalowania, metody numerycznej grupy renormalizacji (NRG) i nierównowagowych funkcji Greena, techniki diagramowe oraz modelowanie. Projektowane są również nanourządzenia elektroniczne o nowych funkcjonalnościach.

Prace eksperymentalne dotyczą metod otrzymywania różnorodnych materiałów węglowych, nadprzewodników, ferroików, multiferroików czy nanokompozytów będących przewodnikami jonowymi oraz ich właściwości fizycznych i zastosowań w obszarach spintroniki i elektroniki molekularnej.

Badania nowoczesnych materiałów węglowych takich jak grafen, tlenek grafenu GO, redukowany tlenek grafenu RGO, nanodiamenty czy nanowłókna węglowe służą poznaniu podstawowych cech tych materiałów, głównie mechanizmów przewodnictwa elektrycznego, magnetyzmu oraz występujących w nich wzbudzeń i trypletowych stanów spinowych. Wyniki badań pozwalają przewidywać oraz proponować zastosowania tych materiałów w obszarach komputerów kwantowych, spintroniki i elektroniki molekularnej przyszłości oraz możliwość ich wykorzystania w nowoczesnej energetyce (konwersja energii, superkondensatory i separacja izotopu 3He.

W przypadku rodziny materiałów ferroicznych, w tym M-heksaferrytów wykazujących ciekawe zachowania magnetyczne, których przykładem jest związek Sr(Ba)Fe₁₂O₁₉ oraz multiferroików o równoczesnych uporządkowaniach ładunkowych i magnetycznych, takich jak żelazian bizmutu BiFeO₃, prowadzone prace mają na celu określenie optymalnych warunków ich syntezy przy użyciu metody hydrotermalnej lub mechanosyntezy, a następnie zbadanie wpływu domieszek oraz rozmiaru na ich właściwości magnetoelektryczne. Wykonywane są również badania mające na celu poznanie uporządkowań magnetycznych oraz transportu elektrycznego w nanokompozytach zawierających nanocząsteczki np. magnetytu Fe₃O₄ w otoczce krzemionkowej lub w matrycach kwasów organicznych.

Prowadzone prace dotyczą również poszukowań stanów polarnych w kwantowych paraelektrykach, właściwości relaksorowych w kryształach K_1-xLi_xTaO₃, w których przejście ferroelektryczne (FE) w niskich temperaturach ma charakter perkolacyjny oraz badań niskotemperaturowej fazy polarnej w monokryształach i ceramice PbZrO₃, gdzie stwierdzono obecność polarnych (ferrielektrycznych) granic antyfazowych wewnątrz fazy antyferroelektrycznej.

Celem badań przewodników szybkich jonów jest poznanie mechanizmów przewodnictwa elektrycznego, przemian strukturalnych oraz uporządkowań ferroelektrycznych związków organicznych, takich jak np. nowe ferroelektryki [C(NH₂)₃]₄X₂SO₄ (X=Cl, Br), czy kryształy [C(NH₂)₃]₄Cl₂SO₄ i (NH₄)₄H₂(SeO₄)₂. Badane jest także przewodnictwo jonowe nowych materiałów nanokompozytowych, których matrycę stanowi mikro lub nanoceluloza natomiast komponentem aktywnym są związki organiczne.

Prace badawczo-rozwojowe

Działalność badawczo-rozwojowa Zakładu dotyczmy prac związanych z energetyką, między innymi opracowania nowych metod defektoskopii kabli wysokoenergetycznych, zmian starzeniowych w materiałach ceramicznych w urządzeniach ochrony sieci przesyłowych przed przepięciami (warystory), materiałów dla technologii jądrowych i energetyki przyszłości, czyli pozyskiwania izotopu helu 3He stosowanego do detekcji promieniowania oraz syntezy termojądrowej, czy też opracowania metod ochrony przed silnymi polami elektrycznymi oraz promieniowaniem elektromagnetycznym.

Wyposażenie

• Spektrometr Bruker ASCEND wyposażony w szerokordzeniowy (89 mm) magnes nadprzewodnikowy wytwarzający pole magnetyczne o wartości 11,74 T (500 MHz dla ¹H). Konsola spektrometru wyposażona jest w trzy wzmacniacze RF o wysokiej mocy oraz moduł gradientowy, posiada rozbudowaną konfigurację powalająca na prowadzenie badań NMR zarówno w ciele stałym, materii miękkiej jak i cieczach. Spektrometr jest wyposażony w następujące akcesoria:

  • Trójkanałową szerokopasmową głowicę pomiarową 2.5mm (¹H/X/Y) umożliwiającą rejestrację wysokorozdzielczych widm NMR w ciele stałym z wykorzystaniem techniki MAS (Magic Angle Spinning) pozwalającą na rejestrację sygnałów w zakresie częstości od ¹⁵N-³¹P, z możliwością prowadzenia badań w zakresie temperatur od -120 °C do 150 °C.
  • Dwukanałową szerokopasmową głowicę pomiarową 4mm (¹H/X) umożliwiającą rejestrację wysokorozdzielczych widm NMR w ciele stałym z wykorzystaniem techniki MAS (Magic Angle Spinning) pozwalającą na rejestrację sygnałów w zakresie częstości od ¹⁵N-³¹P, z możliwością prowadzenia badań w zakresie temperatur od -120 °C do 150 °C.
  • Dwukanałową głowicę pomiarową (X/Y) dyfuzyjną umożliwiającą prowadzenie badań w cieczach oraz materii miękkiej dla szeregu jąder np. ¹H, ²H, ¹⁹F, ⁷Li, ³¹P za pomocą wymiennych cewek nadawczo-odbiorczych oraz w zakresie temperatur od -70 °C do 80 °C
  • Niskotemperaturową sondę szerokopasmową z kriostatem oraz z czterema cewkami (10 mm dla ¹⁵N, 5 mm i 10 mm dla ²H - ¹³⁹La oraz 5 mm dla ⁵⁹Co - ⁶⁹Ga) umożliwia wykonywanie pomiarów NMR w temperaturze do 7 K (-266 °C).
  • układ gradientowy współpracujący z sondą dyfuzyjną umożliwiający przeprowadzenie eksperymentów metoda PFG NMR z gradientem pola impulsowego (PFG) o maksymalnej sile gradientu wynoszącej 3000 G/cm.
  • dodatkowy sprzęt taki jak przewody wysokociśnieniowe do pracy z azotem lub suchym powietrzem, wymienniki ciepła, parownik azotu, wydajna chłodziarka laboratoryjna, naczynia Dewara, pompy itp. pozwalają na uzyskanie szerokiego zakresu eksperymentalnych warunków temperaturowych.

   

  

• Spektrometr Bruker AVANCE wyposażony w szerokordzeniowy (90 mm) magnesem nadprzewodnikowy wytwarzający pole magnetyczne o wartości 7,046 T (300 MHz dla ¹H). Specjalne akcesoria, takie jak system gradientowy, głowica pomiarowa do mikroobrazowania i zaawansowany pakiet oprogramowania, umożliwiły wykonanie obrazowania NMR. Maksymalna siła gradientu w trzech prostopadłych kierunku x, y i z wynosi 100 G/cm. Głowica pomiarowa posiada cztery wymienne cewki nadawczo-odbiorcze o średnicy 5, 10, 15 i 25 mm. Uzyskiwana rozdzielczość dwuwymiarowych obrazów MRI w naszym laboratorium wynosi 10 µm. Pakier oprogramowanie Para Vision obsługuje szereg specjalnych funkcji przetwarzania, w tym analizę statystyczną w obszarach zainteresowania i rekonstrukcję powierzchni 3D. Stosowane techniki pomiarowe w metodzie mikroobrazowania MRI:

  • Gradient Echo Fast Imaging (GEFI)
  • Multislice/Multiecho (MSME), T2 calculations
  • Snapshot FLASH Method
  • Contrast imaging
  • Diffusion imaging (SEDIFFUSION, STEDIFFUSION)
  • Constant time/ single point imaging (CTI/SPI)
  • Localized spectroscopy (VOSY,VSEL)
  • Chemical shift imaging (CSIND)

  
  
  

• Relaksometr SPINMASTER FFC2000 to unikalna aparatura badawcza zaprojektowana do pomiaru czasów relaksacji jądrowej spin-sieć (T₁) oraz spin-spin (T₂) w funkcji pola magnetycznego w zakresie od 10 kHz do 40 MHz (częstotliwość Larmora ¹H).

  Relaksometr połączony jest z szerokopasmowym elektromagnesem wytwarzającym pola magnetyczne w zakresie od 10^-4 do 1T, posiada podwójny obwód magnesu/system chłodzenia, 3 głowice pomiarowe pracujące w różnych zakresach częstotliwości; system regulacji i stabilizacji temperatury do kontroli temperatury próbki z dokładnością 0,1 °C w zakresie od - 120 do + 140 °C; lokalny system kompensacji pola magnetycznego pozwalający na prowadzenie badań w polach magnetycznych bliskich polu ziemskiemu, oraz pakietu oprogramowania: AcqNMR32.

  

• TGA 8000 PERKIN ELMER (Analizator termograwimetryczny). TGA jest metodą analizy termicznej materiałów, w której ubytek masy próbki mierzony jest w funkcji temperatury. Metoda pozwala na uzyskanie informacji o przejściach fazowych, absorpcji, desorpcji, rozkładzie, reakcjach chemicznych oraz pozwala na oznaczanie poszczególnych składników próbki, określanie odporności materiałów na wysokie temperatury, analizę pełnej kinetyki procesów cieplnych zachodzących w próbce oraz określanie czystości składu w próbkach stałych i ciekłych. Urządzenie pracuje w zakresie temperatur od -20 do 1200^oC i wymaga próbek o masie od kilku do kilkunastu miligramów.

   

• DSC 4000 PERKIN ELMER (różnicowa kalorymetria skaningowa) mierzy przepływ ciepła do lub z próbki podczas jej ogrzewania, chłodzenia lub utrzymywania w warunkach izotermicznych. Metoda ta jest wykorzystywana do charakteryzowania materiałów organicznych i nieorganicznych, takich jak: polimery, włókna, folie, kompozyty, produkty farmaceutyczne, żywność, kosmetyki itp. Technika ta wymaga szczelnie zamkniętej próbki o masie kilku miligramów w tyglu i umożliwia testowanie w zakresie temperatur od -50^oC do 450^oC, przy użyciu różnych szybkości zmian temperatury. DSC jest podstawową metodą uzyskiwania cennych informacji na temat następujących właściwości materiałów, takich jak: temperatury topnienia, przemiana szklista, czasy i temperatury krystalizacji, ciepło topnienia i krystalizacji, analiza składu, pojemności cieplne, stabilność termiczna, polimorfizm itp.

  W pomiarach zaawansowanych prowadzi się analizę pełnej kinetyki zachodzących w układzie procesów przemian z wykorzystaniem różnych modeli teoretycznych dostosowanych do danego rodzaju przemiany.

   

• A&D Japan SV10 i SV100 - wiskozymetry wibracyjne umożliwiają pomiar lepkości próbki w zakresach 1-100 Pa·s (model SV100) i 0,3-10000 mPa·s (model SV10). Podstawą działania wiskozymetru wibracyjnego jest utrzymywanie stałej częstotliwości rezonansowej wibrującego elementu zanurzonego w mierzonym płynie. Amplituda wibracji zmienia się w zależności od lepkości płynu. Wiskozymetria wibracyjna umożliwia analizę lepkości materiałów ciekłych, zarówno w postaci pian, emulsji, jak i żeli. Metoda pozwala na wyznaczanie współczynnika lepkości statycznej dla wybranych temperatur oraz badanie procesów starzenia w układach, prowadzących do zmian ich właściwości strukturalnych. Badania lepkości wykonywane są w funkcji szybkości zmian temperatury i czasu.

  

• Analizator TSC (Thermal Scanning Condutrometer, Seven Compact i SevenExcellence S700 firmy Mettler Toledo) pozwala na badanie właściwości przewodzących, zwłaszcza w układach wykazujących odwracalne przejścia fazowe, np. z fazy ciekłej do stałej w postaci żelu. Analiza pozwala na badanie wpływu przejść fazowych na właściwości przewodzące i określenie temperatury tych przejść w zależności od szybkości zmiany temperatury.

  

• HP 4194A IS (spektroskopia impedancyjna) to technika pomiarowa, która umożliwia określenie szeregu parametrów elektrycznych badanych obiektów (cieczy lub żeli). Do najważniejszych określanych parametrów należą: impedancja elektryczna (w tym określenie rezystancji DC), przenikalność dielektryczna (straty dielektryczne), przewodność elektryczna. Właściwości elektryczne są badane w funkcji częstotliwości i/lub temperatury. Pomiary mogą być wykonywane dla materiałów przewodzących i dielektrycznych w zakresie od 100 Hz do 5 MHz w temperturach od 5 ^oC do 120 ^oC.