Informacje ogólne

Badania

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 K1-xLixTaO3, 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

Wyposażenie

  • Sample preparation
    • Magnetron sputtering
    • Ion-beam sputtering
    • Pulsed laser deposition
    • Electron-beam lithography
  • Structural and chemical characterization
    • SEM – Scanning Electron Microscopy
    • XRR – X-ray Reflectometry
    • XRD – X-ray Diffraction
    • LEED, RHED (Low Energy Electron Diffraction, High Energy Electron Diffraction)
    • XRF – X-ray Fluorescence
    • XPS and AES spectroscopy
    • Profilometer (measurements of thin films thickness)
  • Static magnetic measurements
    • VSM – Vibrating Sample Magnetometer
    • GMR – Giant Magneto Resistance
    • P-MOKE Magnetometer
    • P-MOKE Microscopy
  • Dynamic magnetic measurements
    • VNA-FMR – Vector Network Analyzer – Ferromagnetic Resonance
    • FMR – Ferromagnetic Resonance
    • PIMM – Pulsed Inductive Microwave Magnetometer
  • High vacuum and electrochemical equipment for hydrogen absorption/desorption with optical or electrical monitoring

  Prezentacja wyposażenia

AparaturaAparatura

Laboratorium UHV wyposażone w zespół komór o średnim ciśnieniu bazowym 5x10-9 mbar (PREVAC), pozwalających na preparatykę ultracienkich warstw i nanostruktur metodami PVD (naparowania EBV oraz termiczne), a także ich późniejszą kompleksową analizę powierzchniową (struktury krystalograficznej –LEED, RHEED; i elektronowej) z wykorzystaniem mikroskopii i spektroskopii skaningowej (home-made SPM) oraz rentgenowskiej spektroskopii fotoelektronów (XPS- VG Scienta).

Laboratorium UHV

Wyposażenie

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.

    Spinmaster FFC2000

  • 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 1200oC i wymaga próbek o masie od kilku do kilkunastu miligramów.

     TGA 8000

  • 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 -50oC do 450oC, 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.

    DSC 4000 PERKIN ELMER 

  • 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.

    A&D Japan SV10 i SV100

  • 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.

    Analizator TSC (Thermal Scanning Condutrometer, Seven Compact i SevenExcellence S700 firmy Mettler Toledo)

  • 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.

    HP 4194A IS

Projekty

Projekty, działania naukowe i popularnonaukowe

  • Projekt MEiN - Wodór – odpowiedź naukowców na wyzwania energetyczne, klimatyczne i środowiskowe (2023-2024), kierownik – dr inż. Ł. Lindner
  • Program Regionalnego Wsparcia Edukacji Ekologicznej - Energia i Klimat – Wojewódzki Konkurs Wiedzy o Wpływie Energetyki na Klimat (2023-2024), kierownik – dr inż. M. Knapkiewicz
  • Projekt MEiN – Społeczna odpowiedzialność nauki II – Popularyzacja nauki – „Fizyka Warta Poznania” (2023-2025), dr hab. M. Pugaczowa-Michalska, dr hab. J. Kowalczuk, dr hab. inż. M. Bielejewski
  • Projekt grantowy NCN: PRELUDIUM BIS - Jonowe układy supramolekularne jako elektrolity stałe: od projektu do zastosowań w materiałach litowo-jonowych (2022-2026), kierownik - dr hab. inż. M. Bielejewski
  • Projekt MEiN - Ogólnopolski Konkurs Konstrukcyjny - Fizyka w ruchu (2021-2023), kierownik – dr inż Ł. Lindner
  • Projekt grantowy NCN: MNIATURA - Wpływ monomeru na właściwości fizyczne fazy smektycznej C*-alfa (2019-2021), kierownik: dr inż. M. Knapkiewicz
  • Projekt grantowy NCN: OPUS 13 - Nowe, protonowo przewodzące kompozyty nanokrystalicznej celulozy funkcjonalizowanej cząsteczkami heterocyklicznymi zawierającymi azot: od syntezy do mechanizmu przewodnictwa (2018-2021), kierownik: prof. dr hab. J. Tritt-Goc
  • Projekt grantowy NCN: SONATINA 1 - Otrzymywanie i właściwości nowych nanokompozytowych przewodników protonowych opartych na nanowłóknach celulozowych sfunkcjonalizowanych molekułami heterocyklicznym (2017-2021), kierownik: dr inż. Iga Jankowska
  • Projekt w ramach „Narodowego Programu Rozwoju Humanistyki 2b Rozwój”: nr 0037/NPRH4/H2b/83/2016 liderem projektu jest Uniwersytet Przyrodniczy w Poznaniu: Dziedzictwo kulturowe–poszukiwanie nowoczesnych środków i metod konserwacji drewna zabytkowego (2016-2021), prof. dr hab. J. Tritt-Goc, dr J. Kowalczuk, dr hab. A. Rachocki
  • COST CA 15209 EURELAX - European Network on NMR Relaxometry (2016-2020), mgr M. Knapkiewicz, dr hab. A. Rachocki, dr inż. M. Bielejewski, prof. dr hab. J. Tritt-Goc (Management Committee Member)
  • Projekt grantowy NCN: SONATA 6 - Samo-organizacja molekularna oraz procesy transportu ładunku elektrycznego w jonowych żelach organicznych: Badania dynamiki molekularnej i elektroforetycznej (2014-2017), kierownik - dr inż. M. Bielejewski
  • 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. dr hab. J. Tritt-Goc

Projekty

Projekty i działania naukowe

  • NCN, MINIATURA 7 (2023/2024)
    Badanie nanokompozytów węglowych kropek kwantowych z polimerami przewodzącymi do zastosowań w superkondensatorach elektrochemicznych, Kierownik: dr inż. Adam Mizera
  • NAWA PHC Polonium, BPN/BFR/2021/1/00001/U/00001 (2022-2023)
    Chiralność i przewodnictwo elektryczne w nowych materiałach wielofunkcyjnych do zastosowań w elektronice, Koordynator: dr hab. Iwona Olejniczak
  • NCN, MINIATURA 3 (2021)
    Wpływ ciśnienia hydrostatycznego na przejście z fazy neutralnej do fazy jonowej w kompleksie (EDT-TTF-I2)2TCNQF reprezentującym nową klasę przewodników organicznych o mieszanych stosach, Kierownik: dr Arkadiusz Frąckowiak
  • NCN, Preludium 18 (2020-2023)
    Wpływ temperatury i ciśnienia na helikalną sieć wiązań wodorowych nowych elektrolitów stałych, Kierownik: mgr inż. Sylwia Zięba            
  • MNiSW, Diamentowy Grant, VI edycja, DI2016 015846 (2017-2020)
    Analiza właściwości fizykochemicznych nowych przewodników protonowych pochodnych kwasów dikarboksylowych, Kierownik: mgr inż. Sylwia Zięba
  • NCN, OPUS 9, 2015/17/ST8/01783 (2016-2020)
    Wytwarzanie i właściwości optoelektroniczne kompozytów na bazie tlenku grafenu, Lider projektu: Akademia Górniczo-Hutnicza w Krakowie, Koordynator w IFM PAN: dr inż.  Kornelia Lewandowska
  • MNiSW, Projekt Iuventus Plus, IV edycja, IP2014 025673 (2015-2017)
    Synteza i właściwości fotoelektrochemiczne nowych układów hybrydowych tlenku grafemu z modyfikatorami organicznymi dla zastosowań w optoelektronice molekularnej, Kierownik: dr inż.  Kornelia Lewandowska
  • NCN, HARMONIA (2012-2015)
    Badania metodami spektroskopii IR i Ramana roli wiązania wodorowego i halogenowego w formowaniu stanu izolatora Motta w niskowymiarowych przewodnikach organicznych utworzonych przez pochodne TTF (tetratiofulwalen), Kierownik: prof. dr hab. Roman Świetlik
  • NCN, FUGA (2012-2014)
    Charakterystyka fotoelektrochemiczna cienkich warstw półprzewodników organicznych, Kierownik: dr inż.  Kornelia Lewandowska
  • NCN, UMO-2011/01/B/ST5/06051 (2011-2014)
    Funkcjonalizacja "małych" nanocebulek węglowych związkami polifenolowymi oraz ich potencjalne zastosowanie w bioczujnikach elastyny/kolagenu, Lider projektu: Uniwersytet w Białymstoku, Koordynator w IFM PAN: dr Andrzej Łapiński

 Stypendia

  • Stypendium START Fundacji na Rzecz Nauki Polskiej (2022/2023)
    Laureatka: mgr inż. Sylwia Zięba
  • Stypendium Uniwersytetu Aix-Mareseille we Francji (2022)
    Laureat: dr Arkadiusz Frąckowiak
  • Stypendium rządu francuskiego BGF (2021/2022)
    Laureat: dr Arkadiusz Frąckowiak
  • Stypendium Deutscher Akademischer Austauschdienst – DAAD (2018)
    Laureat: dr Akradiusz Frąckowiak
  • Stypendium Deutscher Akademischer Austauschdienst – DAAD (2015)
    Laureat: dr Andrzej Łapiński

Podkategorie