Cele badawcze

Badania mają zarówno charakter poznawczy jak i aplikacyjny. Obliczenia ab initio prowadzone dla związków międzymetalicznych typu 4f-3d oraz 5f-3d koncentrują się na określeniu: struktury elektronowej, właściwości optycznych, magnetycznych i ferroelektrycznych oraz termodynamicznych. Zainteresowaniem cieszą się również charakterystyki prądowo-napięciowe i spintroniczne układów mezoskopowych o różnych wymiarowościach (kwantowe druty, kontakty i kropki kwantowe). Badane są m.in. silne korelacje elektronowe, elektryczna kontrola spinowych stopni swobody układu, możliwości splątania elektronów oraz pojawianie się stanów Majorany. Własności te są kluczowe z punktu widzenia potencjalnych zastosowań w komputerach kwantowych.

Profil badawczy

Badania teoretyczne zjawisk kooperatywnych w ciele stałym w oparciu o rozważania modelowe jak i o nowoczesne podejście obliczeń ab initio. Stosowany jest formalizm równowagowych jak i nierównowagowych funkcji Greena w różnych przybliżeniach, uwzględniających silne korelacje elektronowe, wspierany przez realistyczne metody numeryczne. Pozwala to na kompleksowe badania ciała stałego począwszy od przewidywania struktury krystalicznej i elektronowej, poprzez własności termodynamiczne i nierównowagowy transport elektronowy, a skończywszy na efektach splątania i pojawiania się stanów fermionowych o nie-abelowej statystyce. Posiadane wieloprocesorowe serwery umożliwiają obliczenia w sposób zrównoleglony.

Programy badawcze

• Projekt NCN - Transport elektronowy, dynamika spinowa i ładunkowa w nanostrukturach (2013-2016), kierownik - prof. B.R. Bułka
• Projekt NCN - Wpływ domieszkowania metalami 3d oraz ziemiami rzadkimi na strukturę elektronową, właściwości magnetyczne, ferroelektryczne oraz optyczne wybranych multiferroików - obliczenia z pierwszych zasad (2011-2015), kierownik - prof. A. Jezierski
• Projekt OPUS 11 - Nierównowagowa Termodynamika Elektronów w Układach Kropek Kwantowych (2017-2020), kierownik - prof. dr hab. Bogdan Bułka
• Projekt PRELUDIUM-14 - Fluktuacje prądowe i spinowe w układach kropek kwantowych (2018-2020), kierownik - mgr inż. Krzysztof Ptaszyński
• Projekt SONATA 11 - Wpływ domieszkowania i ciśnienia hydrostatycznego na wybrane właściwości tlenków o strukturze perowskitu - obliczenia z pierwszych zasad (2017-2020), kierownik - dr inż. Jakub Kaczkowski
• Projekt ETIUDA 6 - Nierównowagowa fizyka statystyczna układów kropek kwantowych: fluktuacje prądowe i termodynamika przepływu informacji (2018-2019), kierownik - mgr inż. Krzysztof Ptaszyński
• Nanostruktury warstwowe do zastosowań w spintronice oraz jako magnesy trwałe, kierownik - dr inż. Mirosław Werwiński
• Projekt Homing - Wpływ nieporządku chemicznego na własności wybranych magnesów trwałych niezawierających pierwiastków ziem rzadkich (2017-2019), kierownik - dr inż. Mirosław Werwiński

Osiągnięcia naukowe

• Zaproponowano nowe rozwiązanie kubitu spinowego opartego na trzech kropkach kwantowych. Wykorzystując zmianę symetrii tej sztucznej, trójkątnej molekuły pokazano jak można przygotować stan kubitu, przeprowadzić (jednokubitowe) operacje logiczne oraz odczytać jego końcowy stan. Wszystkie operacje na tym spinowym kubicie wykonywane są elektrycznie, a zatem kompatybilnie do tradycyjnych operacji na elektronicznych układach półprzewodnikowych. Najważniejszym wynikiem badań jest zaproponowanie nowego sposobu odczytu stanów kubitowych poprzez pomiar prądów w reżimie blokady dubletowej [J. Łuczak, B.R. Bułka, Phys. Rev. B 90, 165427 (2014)]
• Zbadano rozkład gęstości spinowej i ładunkowej w komórce elementarnej UCuSb2. Oddziaływanie elektronów 5f uranu z elektronami przewodnictwa często są niedokładnie opisane ze względu na dużą rolę oddziaływań korelacyjnych. Dzięki zastosowaniu nowoczesnych metod obliczeniowych typu ab initio udało się odtworzyć zmierzone widma fotoemisyjne w zakresie promieniowania rentgenowskiego i wygenerować przestrzenny rozkład poszczególnych płatów powierzchni Fermiego [M. Werwiński et al., Comp. Mat. Sci. 81, 402 (2014)]
• W ramach teorii funkcjonału gęstości (DFT), posługując się przybliżeniem PAW (Projected Augmented-Wave), została zoptymalizowana struktura krystalograficzna i zbadana struktura elektronowa benzimidazolu. Obliczenia z pierwszych zasad pozwoliły na wyznaczenie teoretycznego widma NMR dla atomów węgla 13C. Otrzymano bardzo dobrą zgodność wyniku teoretycznego z eksperymentalnym widmem NMR dla benzimidazolu. Dzięki teoretycznemu wynikowi M. Pugaczowej-Michalskiej można było dokładnie ustalić źródło poszczególnych linii rezonansowych zarejestrowanych w widmie NMR. [K. Pogorzelec-Glaser et al., CrystEngComm 15, 1950 (2013)]
• Opis i wyjaśnienie zmiany znaku tunelowego magnetooporu kropki kwantowej połączonej ze spinowo spolaryzowanymi elektrodami, gdy zmienia się napięcie bramki. Pokazano, że anomalie magnetooporu mogą mieć swoje źródło zarówno w oddziaływaniach jednocząstkowych jak i wielocząstkowych elektronów na kropce, a otrzymane przewidywania tłumaczą wyniki eksperymentalne. [P. Stefański, Phys. Rev. B 79, 085312 (2009)]
• Zbadano właściwości elektronowe i ferroelektryczne multiferroika BiFeO3 domieszkowanego pierwiastkami ziem rzadkich. Pokazano, że pojedynczy atom pierwiastka ziemi rzadkiej prowadzi do obniżenia spontanicznej polaryzacji ferroelektrycznej. Ponadto wyznaczono strukturę elektronową i dynamikę sieci BiGaO3 z wykorzystaniem potencjałów hybrydowych oraz określono strukturę elektronową nowych nadprzewodników niecentrosymetrycznych CaPtSi3 oraz CaIrSi3 [J. Kaczkowski, A. Jezierski, J. Alloys Compd. 509, 6142 (2011)]

• O IFM PAN

• Dyrekcja

• Rada Naukowa

• Struktura organizacyjna

• Książka telefoniczna

• Kontakt

• Inspektor Ochrony Danych

• Archiwum wiadomości

• Technische Universität Dresden, Niemcy
• University of Twente, Holandia
• Max Planck Institute for Solid State Research, Stuttgart, Niemcy
• CNRS-Thales, Orsay, Francja
• Insitut for Theoretical Physics, RWTH, Aachen, Niemcy
• Universität Regensburg, Regensburg, Niemcy

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.

.