Zakład Nadprzewodnictwa i Przemian Fazowych

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)]