Cele badawcze

Wykorzystując zaawansowane techniki obliczeniowe oraz modelowanie badamy nowe zjawiska oraz projektujemy nanourządzenia elektroniczne o nowych funkcjonalnościach: układy kropek kwantowych, kwantowo-atomowe złącza punktowe, elektronowe układy jedno- i dwuwymiarowe, układy hybrydowe na bazie heterostruktur półprzewodnikowych, pojedynczych molekuł, ferromagnetyków, nadprzewodników, układy silnie skorelowane, układy z efektem Kondo, współtunelowaniem, transportem elektrycznym zależnym od spinu. Zajmujemy się również kryptografią kwantową oraz prostymi protokołami kwantowymi w ramach informatyki kwantowej. Celem badań doświadczalnych jest uzyskanie, na bazie grafenu, nowych materiałów o określonych właściwościach umożliwiających ich zastosowanie w elektronice i spintronice. Wprowadzane modyfikacje generują centra magnetyczne, które badane są metodami elektronowego rezonansu paramagnetycznego (EPR) i rezonansu ferromagnetycznego (FMR).

Profil badawczy

Przewidywanie wyników eksperymentalnych z użyciem perturbacyjnej techniki skalowania, metody numerycznej grupy renormalizacji (NRG) i nierównowagowych funkcji Greena oraz techniki diagramowej. Studiowanie zjawisk transportu elektrycznego oraz dynamiki spinowej w hybrydowych nanostrukturach posiadających elementy ferromagnetyczne, półprzewodnikowe, nadprzewodzące, przewodniki balistyczne, złącza tunelowe, etc. Dokonujemy chemicznej modyfikacji grafenu i innych nanomateriałów węglowych. Wykonujemy badania EPR przewodzących materiałów węglowych i innych, również pod ciśnieniem hydrostatycznym.

Programy badawcze

• Projekt MNiSW - Spinowo spolaryzowany transport w kropkach kwantowych i układach molekularnych (2006-2009), kierownik - dr hab. J. Martinek, prof. IFM PAN
• Projekt MNiSW - Nadprzewodzący i spinowo spolaryzowany transport w układach hybrydowych ferromagnetyk-nadprzewodnik oraz kropkach kwantowych (2010-2015), kierownik - dr hab. J. Martinek, prof. IFM PAN
• Projekt MNiSW - Efekt współtunelowania w nadprzewodzących złączach tunelowych w obecności kropek kwantowych (2011-2013), kierownik - dr hab. J. Martinek, prof. IFM PAN
• European Union Project - Source of Electron in Entanglement in Nano Devices (SE2ND) (2011-2015), kierownik - dr hab. J. Martinek, prof IFM PAN
• Polsko-Francuski Projekt Badawczy - Nadprzewodzący oraz spinowo spolaryzowany transport elektryczny w układach z pojedynczą molekułą (2009-2010), kierownik - dr hab. J. Martinek, prof. IFM PAN

Osiągnięcia naukowe

• We współpracy z eksperymentalną grupą prof. S. Parkina z laboratoriów IBM Almaden z San Jose (Kalifornia - Dolina Krzemowa) badano eksperymentalnie i teoretycznie planarne złącza tunelowe wykonane z tlenku magnezu (MgO) mającego, dzięki uporządkowanej strukturze, bardzo wysoką wartość magnetooporu tunelowego. Po raz pierwszy pokazano, że w złączu z ferromagnetycznymi elektrodami jest możliwe pojawienie się efektu Kondo w obecności domieszek magnetycznych w barierze tunelowej. Zbadano również złącze z nadprzewodzącymi elektrodami, gdzie obecność magnetycznych domieszek prowadzi do pojawiania się dodatkowych procesów tunelowania dla transportu powyżej i poniżej szczeliny nadprzewodzącej w gęstości stanów. Podano dokładny model teoretyczny tych złożonych procesów [H. Yang et al., Phys. Rev. B 83, 174437 (2011)]
• Pokazano, korzystając z zaawansowanych technik NRG, że w układzie dwóch kropek kwantowych połączonych szeregowo z ferromagnetycznymi elektrodami możliwe są różne stany magnetyczne, takie jak stan singletowy (uporządkowanie antyferromagnetyczne) lub tripletowy (uporządkowanie ferromagnetyczne), a przy pomocy zewnętrznego lokalnego pola elektrycznego stan ten może być przełączany. Otwiera to możliwość, aby w efektywny sposób kontrolować własności magnetyczne układu poprzez pole elektryczne, co będzie miało istotne znaczenie w budowie nowych układów elektroniki spinowej [R. Zitko et al., Phys. Rev. Lett. 108, 166605 (2012), R. López et al., Phys. Rev. B 87, 035135 (2013)]
• Badano efekt rozdzielania par Coopera w układzie podwójnej kropki kwantowej sprzężonej z nadprzewodzącą elektrodą, który może służyć jako naturalne źródło splątanych par elektronów. Pary te jako pary splątanych kubitów mogą być podstawowym elementem komunikacji kwantowej w ciele stałym. Zaproponowano również możliwość zmierzenia splątania w tym układzie poprzez pomiar operatora tzw. świadka splątania (entanglement witness) [W. Kłobus et al., Phys. Rev. B 89, 125404 (2014)]
• Zaproponowano i wdrożono oryginalną metodę badań korelacji dla kwantowego przewodnictwa w atomowych kwantowych kontaktach punktowych (Quantum Point Contact - QPC). Umożliwiła ona po raz pierwszy, wykazanie silnych efektów kwantowych również dla wysokich wartości przewodnictwa - wieloatomowych kontaktów dla niklu, żelaza, czy wanadu [A. Halbritter et al., Phys. Rev. Lett. 105, 266805 (2010), P. Makk et al., ACS NANO 6, 3411 (2012)]
• Wykazano istotną rolę sprzężenia elektronów przewodnictwa z defektami paramagnetycznymi w relaksacji spinowej w grafenie metodą impulsową EPR, które wydłuża czas relaksacji układu. Uzyskane wyniki analizowano w ramach teorii Hasegawy i wykazano równość czasów spin-sieć i spin-spin [M.A. Augustyniak-Jabłokow et al., Chem. Phys. Lett. 557, 118 (2013)]
• Potwierdzono istnienie magnetycznego uporządkowania w jednowarstwowym grafenie. Badania EPR pojedynczych płatków syntetycznego grafenu zawierającego luki węglowe pozwoliły na obserwację antyferromagnetycznego przejścia fazowego, a po samoistnej rekonstrukcji luk ujawniły obecność sygnału FMR.Obecność przejścia fazowego i uporządkowania antyferromagnetycznego była przewidziana teoretycznie, a nasz eksperyment był pierwszym tego dowodem. Zgodność złożonej zależności temperaturowej intensywności sygnału FMR z teoretycznymi przewidywaniami potwierdziła, że sygnał pochodzi od sprzężonych ferromagnetycznie stanów brzegowych grafenu [M.A. Augustyniak-Jabłokow et al., Phys. Status Solidi RRL 5, 271 (2011), J. Mol. Struct. 1076, 31 (2014)]
• Zbadano wpływ ciśnienia hydrostatycznego na widma FMR kompozytów zawierających magnetyczne nanocząstki. W zależności od wielkości nanocząstek, ciśnienie wywiera wpływ na widma FMR badanych kompozytów. [N. Guskos et al., Rev. Adv. Mater. Sci. 32, 19 (2013), Rev. Adv. Mater. Sci. 35, 67 (2013)]

Cele badawcze

Określenie mechanizmów przewodnictwa jonowego w nowo zsyntetyzowanych materiałach przewodzących, analiza mechanizmów powstawania żeli molekularnych, badanie oddziaływań wpływających na własności żeli oraz wyjaśnienie spowolnienia dynamiki molekularnej cieczy uwięzionej w materiałach porowatych, np. żelach molekularnych, czy matrycach polimerowych. Badanie dynamiki molekularnej różnymi metodami magnetycznego rezonansu jądrowego pozwala śledzić zjawiska i procesy dynamiczne w różnej skali czasowej. Niezależnie od badań podstawowych, podejmujemy zadania, których celem jest wykazanie użyteczności metod magnetycznego rezonansu jądrowego do badań aplikacyjnych, np. weryfikowania autentyczności lub wykrywania zafałszowań różnych produktów roślinnych czy spirytusowych.

Profil badawczy

Struktura, dynamika i własności fizyczne funkcjonalnych materiałów dielektrycznych oraz organicznych układów przewodzących. W badaniach wykorzystujemy przede wszystkim metody relaksometrii, dyfuzjometrii, i spektroskopii magnetycznego rezonansu jądrowego oraz magnetyczny rezonans elektronowy. Aktualnie głównym obiektem badań są żele molekularne, nowe, ciałostałowe przewodniki jonowe, a także wybrane materiały biologiczne.

Programy badawcze

1. Projekt MNiSW - Nowe żelatory funkcjonalne rozpuszczalników organicznych: badanie mechanizmu tworzenia żelu i jego własności molekularnych (2007-2009), kierownik - prof. J. Tritt-Goc
2. Projekt MNiSW - Analiza molekularnych procesów dynamicznych odpowiedzialnych za dyfuzję protonów w nowej rodzinie przewodników protonowych na postawie eksperymentów Magnetycznego Rezonansu Jądrowego (2010-2012), kierownik - dr Adam Rachocki
3. Projekt MNiSW - Oddziaływania i dynamika molekularna na granicy ciecz-powierzchnia porów w żelach molekularnych: badania relaksacji i dyfuzji metodami jądrowego rezonansu magnetycznego (2011-2014), kierownik - prof. J. Tritt-Goc
4. Projekt NCN - Samo-organizacja molekularna oraz procesy transportu ładunku elektrycznego w jonowych żelach organicznych: Badania dynamiki molekularnej i elektroforetycznej (2014-2017), kierownik - dr inż. M. Bielejewski

Osiągnięcia naukowe

• Wykazanie oddziaływania rozpuszczalnik-powierzchnia porów w żelach supramolekularnych poprzez zbadanie dynamiki rozpuszczalnika [J. Tritt-Goc et al., Soft Matter 10, 7810 (2014), J. Kowalczuk et al., J. Phys. Chem. B 118, 4005 (2014)]
• Zbadanie wpływu rozpuszczalnika na własności termodynamiczne i mikrostrukturę żeli molekularnych oraz wykazanie braku uniwersalnej zależności między parametrami rozpuszczalnika a własnościami żeli [M. Bielejewski et al., Langmuir 25, 8274 (2009), M. Bielejewski et al., Soft Matter 9, 7501 (2013), J. Kaszyńska et al., Tetrahedron 68, 3803 (2012)]
• Określenie źródła pochodzenia fazy nieuporządkowanej w przewodnikach protonowych otrzymanych na bazie molekuł heterocyklicznych i kwasów organicznych [A. Rachocki et al., Crystal Growth & Design 14, 1211 (2014), K. Pogorzelec-Glaser et al., CrystEngComm 15, 1950 (2013)]
• Określenie mechanizmu przewodnictwa w nowych przewodnikach protonowych o potencjalnym wykorzystaniu w ogniwach paliwowych [K. Pogorzelec-Glaser et al., Solid State Ionics 227, 96 (2012), A. Rachocki et al., Carbohydr. Res. 346, 2718 (2011)]
• Anomalne zachowanie elektronowej relaksacji spinowej jonów Mn2+ w kompleksach o niskiej symetrii [S.K. Hoffman et al., J. Magn. Reson. 246, 46 (2014)]
• Wykazanie możliwości zastosowania relaksometrii NMR w badaniach materiałów roślinnych m.in. do weryfikowania autentyczności olejów roślinnych [A. Rachocki et al., Anal. Bioanal. Chem. 404, 3155 (2012), A. Rachocki et al., Food Chem. 152, 94 (2014)]
• Wykazanie możliwości zastosowania mikrotomografii rezonansu magnetycznego do określenia mechanizmu uwalniania się leków o kontrolowanej rozpuszczalności oraz badania fizycznej stabilności leków [J. Kowalczuk et al., European J. Pharm. Sciences 42, 354 (2011)]

Cele badawcze

Niezależnie od badań podstawowych, których celem jest wyjaśnienie obserwowanych w układach cienkowarstwowych zjawisk fizycznych, podejmowane są również zadania dotyczące opracowywania technologii wytwarzania i określenia właściwości magnetycznych warstw charakteryzujących się parametrami atrakcyjnymi dla zastosowań.

Profil badawczy

Technologia wytwarzania układów warstwowych metodami rozpylania jonowego i ablacji laserowej w warunkach ultrawysokiej próżni, ich strukturyzacji metodą litografii elektronowej oraz charakteryzacji właściwości: strukturalnych (reflektometria i dyfrakcja rentgenowska, mikroskopia elektronowa, profilometr), magnetycznych zarówno statycznych (magnetometr z wibrującą próbką, histerezograf i mikroskop magnetooptyczny, stanowisko do pomiaru efektów magnetooporowych), jak i dynamicznych (szerokopasmowy rezonans ferromagnetyczny VNA-FMR).

Programy badawcze

• Projekt MNiSW - Niekolinearna, magnetyczna struktura układów warstwowych NiFe/Au/Co/Au (2008-2009), kierownik - prof. F. Stobiecki
• Projekt MNiSW - Magnetyczne struktury warstwowe z niekolinearnym rozkładem magnetyzacji - badania struktury magnetycznej i jej modyfikacja (2009-2012), kierownik - prof. F. Stobiecki
• Projekt promotorski MNiSW - Wpływ bombardowania jonowego na własności magnetyczne układów warstwowych Ni₈₀Fe₂₀/Au/Co/Au (2009-2011), kierownik - prof. F. Stobiecki (doktorant - mgr inż. P. Kuświk)
• Projekt MNiSW - Magnetyczne warstwy z anizotropią prostopadłą i gradientem pola koercji - technologia wytwarzania, właściwości i zastosowania (2012-2014), kierownik - dr inż. P. Kuświk
• Projekt NCN - Ferromagnetyczne materiały dla kontrolowanego pozycjonowania ścian domenowych (2013-2016), kierownik - dr hab. M. Urbaniak
• Projekt MNiSW - Sprzężenie wymienne w cienkich warstwach stopów Heuslera w kontakcie z antyferromagnetykiem (2010-2012), kierownik - dr hab. J. Dubowik, prof. IFM PAN
• Polsko-Szwajcarski Program Badawczy - Nanoukłady elektroniki spinowej wykorzystujące transfer spinowego momentu pędu (2011-2016), koordynator lokalny - dr hab. J. Dubowik, prof. IFM PAN

Osiągnięcia naukowe

W latach 2009-2014 Zakład Cienkich Warstw realizował siedem projektów badawczych. Magnetyczne układy warstwowe złożone z warstw ferromagnetycznych przedzielonych warstwami niemagnetycznymi były przedmiotem czterech projektów badawczych zakończonych w latach 2008-2014 oraz jednego realizowanego aktualnie (projekty 1-5). Struktury te, np. wielokrotne warstwy (Au/Co)N, charakteryzowały się występowaniem anizotropii prostopadłej we wszystkich ferromagnetycznych subwarstwach lub występowaniem na przemian subwarstw z anizotropią prostopadłą i w płaszczyźnie układu, np. (Co/Au/Ni₈₀Fe₂₀/Au)_N

• Zbadanie właściwości magnetycznych wielokrotnych warstw (Co/Au/Ni₈₀Fe₂₀/Au)_N (N-liczba powtórzeń) [M. Urbaniak et al., J. Appl. Phys. 101, 013905 (2007)] i wyjaśnienie mechanizmu odpowiedzialnego za indukowane polem magnetycznym oddziaływanie pomiędzy warstwami ferromagnetycznymi [F. Stobiecki et al., Appl. Phys. Lett. 102, 012511 (2008)]
• Opracowanie metody magnetycznej strukturyzacji pozwalającej, w wyniku bombardowania jonowego przez dwuwymiarową maskę utworzoną z uporządkowanych kulek polistyrenowych, uzyskać jednorodną sieć sztucznych domen o submikronowych rozmiarach [P. Kuświk et al., Nanotechnology 22, 095302 (2011), P. Kuświk et al., Nanotechnology 23, 475303 (2012)]
• Zaproponowanie nowych konstrukcji sensorów magnetooporowych. [M. Matczak et al., Appl. Phys. Lett. 100, 162402 (2012), F. Stobiecki et al., patent nr 2175572009-10-20]
• Opracowanie metody pozwalającej, w wyniku bombardowania jonowego, na uzyskanie gradientu anizotropii prostopadłej w płaszczyźnie warstwy i wykazanie, że w takiej strukturze można wytworzyć pojedynczą, prostą ścianę domenową oraz kontrolować jej propagację jednorodnym polem magnetycznym [M. Urbaniak et al., Phys. Rev. Lett. 105, 067202 (2010)]
• Zbadanie oddziaływań (magnetostatycznych i wymiennych) w strukturach warstwowych z anizotropią prostopadłą [M. Matczak et al., J. Appl. Phys. 114, 093911 (2013)]. Najważniejsze osiągnięcia związane z projektami 6 i 7:
• Wyjaśnienie korelacji pomiędzy wielkością anizotropii jednozwrotowej (exchange bias) i wartościami całek wymiany dla wybranych stopów Heuslera w kontakcie z antyferromagnetykiem [J. Dubowik et al., J. Appl. Phys. 113, 193907 (2013)] oraz zaproponowanie prostego mikromagnetycznego wyjaśnienia zjawiska sprzężenia wymiennego (exchange coupling) w strukturach typu ferromagnetyk/antyferromagnetyk
• Zaobserwowanie znacznego (dziesięciokrotnego) wzmocnienia intensywności sygnału rezonansu ferromagnetycznego dla struktur podwójnych zaworów spinowych osadzanych na buforze metalicznym o grubości 40 - 50 nm, w porównaniu z wielkością sygnału od struktur bez bufora. Różnicę sygnału zweryfikowano jako wynik ekranowania pola elektromagnetycznego przez linię CPW (coplanar waveguide) służącą jednocześnie do generacji i detekcji rezonansowej absorpcji mikrofalowej. Efekt ten może mieć znaczenie dla zastosowań w urządzeniach spintronicznych w zakresie mikrofal [H. Głowiński et al., J. Appl. Phys. 116, 053901 (2014)].

Cele badawcze

Oprócz badania typowych układów fizycznych (multiferroiki, ferromagnetyki, związki międzymetaliczne, kwazikryształy, szkła metaliczne, domieszkowane ferroelektryki, relaksory i przewodniki superjonowe) pracownicy Zakładu prowadzą szeroką, interdyscyplinarną współpracę z naukowcami z innych dziedzin badawczych: chemia, biologia, farmacja i medycyna. Celem badań jest między innymi detekcja i określenie rodzajów paramagnetycznych defektów radiacyjnych oraz wolnych rodników generowanych przez czynniki stresogenne w materii ożywionej.

Profil badawczy

Problematyka naukowa Zakładu koncentruje się na badaniu własności magnetycznych i elektrycznych oraz poznawaniu mechanizmów prowadzących do przemian fazowych w ciałach stałych. Głównymi metodami badawczymi są elektronowy rezonans magnetyczny (elektronowy rezonans paramagnetyczny, podwójny rezonans elektronowo-jądrowy, rezonans ferromagnetyczny) oraz spektroskopia impedancyjna.

Programy badawcze

• Projekt MNiSW - Transport ładunku; zjawiska stochastyczne i nieliniowe w szybko-protonowych przewodnikach (2005-2008), kierownik - prof. S. Waplak
• Projekt MNiSW - Kontrolowana destrukcja kryształów z rodziny TGS przez ciecz przenoszącą ciśnienie hydrostatyczne do 2.5 GPa (2007-2010), kierownik - prof. S. Waplak
• Projekt CMST COST Action - Network for intermetallic compounds as catalysts for steam reforming of methanol (2010-2014), membership: CG, MC, TTYR; leadership: WG 2.3 Chemical bonding; koordynator - dr M. Wencka
• Indywidualne stypendium DAAD - Synthesis of the Ga3Ni2 intermetallic compound - a new promising catalyst for methanol production (2015), kierownik - dr M. Wencka
• Projekt w ramach współpracy Polskiej Akademii Nauk i Słoweńskiej Akademii Nauk - Relaksory multiferroiczne jako materiały dla nowych technologii chłodzenia (2015-2017), koordynator - dr M. Wencka

Osiągnięcia naukowe

• Zbadanie wpływu domieszkowania na przewodnictwo elektryczne i własności ferroiczne związków Me3X(SO4)2. Wyjaśnienie mechanizmu prowadzącego do wzrostu wartości przewodnictwa w niskoprzewodzącej fazie przewodników superprotonowych (NH4)3H(SO4)2:Mn2+ [W. Bednarski et al., Solid State Ionics 179, 1974 (2008)] i Rb3H(SO4)2:Mn2+ [A. Ostrowski, W. Bednarski, J. Phys.: Condens. Matter 21, 205401 (2009)]. Odkrycie niskotemperaturowego stanu szkła polarnego z krótkozasięgowym uporządkowaniem w krysztale Rb3H(SO4)2:Mn2+ [W. Bednarski et al., J. Phys.: Condens. Matter 22, 225901 (2010)]
• Określenie struktury krystalicznej i własności nowego ditiolenowego kompleksu złota, które zostały poparte obliczeniami struktury pasmowej kryształu. Własności elektryczne silnie zależą od ciśnienia. Własności magnetyczne pokazują metaliczny charakter. Elektronowy rezonans magnetyczny jest typowy dla przewodzącego materiału. Badania te sugerują dalszy kierunek modyfikacji chemicznej kompleksu w celu uzyskania molekularnego materiału o wyższym przewodnictwie [N. Bellem et al., J. Am. Chem. Soc. 131, 16967 (2009)]
• Kontrolowanie destrukcji kryształów TGS przez ciecz przenoszącą ciśnienie hydrostatyczne do 2.5 GPa. Wykazano, że powyżej 1.8 GPa następuje nieodwracalna degradacja próbek na obszary o wymiarach krytycznych dla zachowania porządku dalekiego zasięgu (polaryzacji spontanicznej). Układ zachowuje się wtedy w funkcji temperatury i ciśnienia jak typowy relaksor, a powyżej 2.5 GPa jak superparaelektryk. Na podstawie danych ciśnieniowych z parametrów ściśliwości zaproponowano efekt wpływu tzw. objętości krytycznej na zanik polaryzacji [J. Stankowski et al., J. Non-Cryst. Solids 356, 1305 (2010)]
• Określenie anizotropii zbadanych własności fizycznych (magnetyzm, przewodnictwo elektryczne i termiczne, siła termoelektryczna i współczynnik Halla) pomiędzy płaszczyzną kwazikrystaliczną a kierunkiem periodycznym w dwuwymiarowym dekagonalnym aproksymancie Al13Fe4 i jego pochodnej Al13(Fe, Ni)4. Odkrycie nieporządku strukturalnego w Al13(Fe, Ni)4 na podstawie badań monokryształów otrzymanych metodą Czochralskiego [P. Popčević et al., Phys. Rev. B 81, 184203 (2010)]
• Odkrycie natury niskotemperaturowego stanu podstawowego, będącego fazą nieergodycznego szkła dipolowego w ferroelektrycznym relaksorze Pb(Mg1/3Nb2/3)O3 (PMN). Wyjaśnienie przyczyny nieciągłej zależności polaryzacji w funkcji pola elektrycznego i temperatury, która to jest konsekwencją przejścia fazowego pierwszego rodzaju ze stanu szklistego do ferroelektrycznego. Nieciągłość stwierdzono na podstawie pomiarów ciepła właściwego o wysokiej zdolności rozdzielczej (stabilizacja temperatury w pomiarze efektu elektrokalorycznego 0.1 mK) i polaryzacji [N. Novak et al., Phys. Rev. Lett. 109, 037601 (2012)]
• Zbadanie własności elektrycznych, magnetycznych i termicznych szklistych nanokompozytów porowatych z nanocząstkami magnetytu oraz ferroelektrykami KNO3 lub NaNO2 wypełniającymi pory. Pokazanie, że wielkość porów w szkłach porowatych z wbudowanymi nanocząstkami magnetycznymi tylko nieznacznie zmienia rozmiar nanocząstek magnetycznych oraz nie ma wpływu na temperaturę TV przemiany fazowej Verwey’a. Wykazanie, że istotny wpływ na własności magnetyczne szkieł ma wprowadzenie do porów w szkłach magnetycznych nanocząstek ferroelektrycznych, które obniżają temperaturę TV [A. Ciżman et al., Composites: Part B 64, 16 (2014)]