Wyposażenie

• Spektrometr FT-IR Bruker Equinox 55 współpracujący z  mikroskopem FT-IR Bruker Hyperion 2000 wraz z wyposażeniem

  

  Układ pomiarowy pozwala na rejestrację widm w świetle spolaryzowanym w zakresie od 30 do 18 000 cm^-1. Spektrometr pracuje z maksymalną rozdzielczością spektralną 0,5 cm^-1. Dołączony do spektrometru mikroskop FT-IR Hyperion 2000 firmy Bruker pozwala na pomiar widm odbiciowych oraz transmisyjnych w świetle spolaryzowanym mikropróbek o wymiarach ułamków milimetra w zakresie spektralnym od 600 do 18000 cm^-1 w funkcji temperatury od 10 do 870 K. Mikroskop wyposażony jest w obiektyw do rejestracji widm odbiciowo-absorbcyjnych od cienkich warstw naniesionych na podłoże metaliczne (600–6500 cm^-1). Stolik mikroskopu (sterowany silnikami krokowymi) umożliwia badania rozkładu przestrzennego substancji w materiale (rozdzielczość przestrzenna 1 mm). Posiadane kowadła diamentowe pozwalają natomiast na rejestrację widm transmisyjnych w średniej podczerwieni w funkcji ciśnienia (do 20 GPa) w temperaturze pokojowej.

  W skład wyposażenia zestawu pomiarowego wchodzą:

  • układ do przedmuchu suchym powietrzem firmy Parker
  • zmiennokątowa przystawka odbiciowa firmy Bruker
  • przystawka do rejestracji widm osłabionego całkowitego wewnętrznego odbicia (ATR) firmy Gateway™
  • przystawka do rejestracji widm odbicia zwierciadlanego firmy Beckman
  • przystawka do rejestracji widm odbicia dyfuzyjnego (DRIFT) firmy Perkin-Elmer
  • zwierciadła, kuwety oraz polaryzatory

• Spektrometr Ramanowski LabRAM HR 800 Jobin Yvon wraz z wyposażeniem

  

  Spektrometr zawiera dwie siatki dyfrakcyjne (600 oraz 1800 rys/mm), optykę wejściową i filtrującą, detektor wielokanałowy (CCD 1024 x 256) pracujący w temperaturze ciekłego azotu. Wyposażony on jest w laser He Ne (λext = 632.8 nm), przestrajalny laser argonowy Stabilite 2017 wraz z zasilaczem (λext = 454.5, 457.9, 465.8, 472.7, 476.5, 488.0, 496.5, 501.7, 514.5 nm) oraz w laser NIR wraz z zasilaczem (λext = 785 nm). Na wyposażeniu spektrometru są zestawy filtrów VLFIE typu "Notch": dla linii 457, 488, 514, 633 oraz 785 nm. Spektrometr wyposażony jest w mikroskop konfokalny L-BXFM zawierający następujące obiektywy: obiektyw typu "plan-achromatic" x10, NA = 0.25, WD = 10.6 mm, obiektyw typu "plan-achromatic" x50, NA=0.75, WD=0.37 mm, obiektyw typu "plan-achromatic" x100, NA = 0.90, WD = 0.21 mm, obiektyw o długiej ogniskowej x10, NA = 0.25, WD = 21 mm, obiektyw o długiej ogniskowej x20, NA=0.25, WD = 12 mm oraz obiektyw do makro-próbek WD = 40 mm. Spektrometr Ramanowski LabRAM HR 800 Jobin Yvon wykorzystywany jest do badań widm rozpraszania Ramana w funkcji temperatury i ciśnienia.

• Spektrometr NIR/Vis/UV Hitachi U-2900

  

  Spektrometr umożliwia rejestrację widm absorpcyjnych w świetle spolaryzowanym w zakresie spektralnym od 190 do 1100 nm próbek w fazie stałej oraz ciekłej. Widma transmisyjne i odbiciowe można rejestrować z prędkością skanowania: 10, 100, 200, 400, 800, 1200, 2400 oraz 3600 nm/min. Przyrząd posiada dwa źródła promieniowania: lampę wolframową (pomiary w zakresie światła widzialnego) oraz lampę deuterową (pomiary w zakresie światła ultrafioletowego). Jako detektor promieniowania wykorzystywana jest fotodioda krzemowa. Dokładność pomiaru widma zmienia się wraz ze zmianą zakresu absorbancji i wynosi: w zakresie od 0 do 0,5 ±0,002, od 0,5 do 1,0 ±0,004 oraz od 1,0 do 2,0 ±0,008. Błąd pomiaru wartości transmitancji równy jest ±0,3%.

• Spektrofluorymetr Hitachi F-7000

  

  Spektrofotometr ten umożliwia wykonywanie pomiarów fluorescencji, luminescencji oraz fosforescencji roztworów oraz próbek stałych w funkcji temperatury (kriostat Optistat CF firmy Oxford Inst). Możliwe jest wykonywanie pomiarów czasu życia fluorescencji do 1 ms. Wyposażony jest on w dwa monochromatory pozwalające na ciągły wybór długości fali wzbudzenia i emisji fluorescencyjnej. Na wyposażeniu spektrofluorymetru znajduje się zestaw filtrów krawędziowych oraz polaryzatorów umożliwiających pomiar widm emisji i wzbudzeń w zakresie od 900 do 200 nm.

• Stanowisko do pomiarów przewodności elektrycznej

  

  Pomiary przewodności elektrycznej właściwej przeprowadzane są metodą czteroelektrodową. Programowalne źródło prądu Keithley 220 pozwala na zmiany prądu w zakresie 1 nA – 100 mA, a cyfrowy woltomierz Keithley 182 umożliwia pomiary w zakresie 3 mV – 30 V z rozdzielczością 1 nV – 10 μV. Pomiary temperaturowe są wykonywane w zakresie 1,8-370 K. Do ścieżek miedzianych za pomocą drutu srebrnego o średnicy 40 μm przymocowywana jest próbka za pomocą pasty srebrnej, z której wykonane są też elektrody. W zależności od potrzeb istnieje możliwość użycia pasty złotej lub węglowej (oraz innego drutu niż srebrny). Układ umożliwia pomiar próbek o rozmiarach poniżej 1 mm (maksymalnie około 1 cm).

• Stanowisko do analizy termooptycznej (TOA)

  Analiza termooptyczna stanowi wizualną pomoc w obserwacji efektów fizycznych podczas pomiarów analizy termicznej. Pozwala wyznaczyć temperaturę przemiany fazowej w fazie skondensowanej pod warunkiem występowania wyraźnych zmian tekstury badanego materiału. Jest to metoda komplementarna do pomiarów różnicowej kalorymetrii skaningowej (DSC), termograwimetrii (TG) czy też pomiarów w podczerwieni w funkcji temperatury. Układ pomiarowy zbudowany jest z następujących elementów: mikroskopu stereoskopowego Delta Optical IPOS 810 WS (obiektyw planachromat ´2 - maksymalne powiększenie ´400 wraz oświetlaczem koaksjalnym, modułem do ciemnego pola, adapterem fotograficznym z kamerą mikroskopową), kriostatu firmy Linkam TC92 wraz z wyposażeniem, multimetru - HP 34401a (zakresy: 10 mA, 100 mA, 1 A, 3 A; maksymalna rozdzielczość: 10 nA), diody - OSRAM BPW 21 (prąd ciemny: 2 nA; długość fali 350-820 nm) oraz komputera.

• Układy do badań temperaturowych

  • Układ do badań w funkcji temperatury od 1,8 do 370 K
    

    kriostat optyczny Optistat CF firmy Oxford Inst. (zestawy okienek: KBr, KRS-5, kwarc), termoregulator Oxford Inst. ITC 503, lewar GFS 650, przepływomierz PKR 251/26001, dewar helowy 50 l, układ pomp: pompa turbomolekularna TSH 071E, pompa membranowa MVP 015, pompa cyrkulacyjna, miernik ciśnienia PKR 251 / 26001;

    układ umożliwia rejestrację widm fluorescencji w funkcji temperatury oraz wykorzystywany jest w pomiarach przewodności elektrycznej właściwej;

  • Układ do badań w funkcji temperatury od 4.2 do 300 K
    

    kriostat optyczny CF 2102 firmy Oxford Inst., termoregulator Oxford Inst. ITC 503, lewar GFS 650, przepływomierz PKR 251/26001, dewar helowy 50 l, układ pomp: pompa turbomolekularna TSH 071E, pompa membranowa MVP 015, pompa cyrkulacyjna, miernik ciśnienia PKR 251 / 26001;

    układ umożliwia rejestrację widm absorpcyjnych i odbiciowych w świetle spolaryzowanym (600-18000 cm^-1) oraz widm rozproszenia Ramana;

  • Układ do badań w funkcji temperatury od 77 K do 870 K

    kriostat firmy Linkam Corp. TC92, termoregulator Linkam Inst., dewar azotowy wraz z osuszaczami do przedmuchu kriostatu, linia ogrzewająca obudowę kriostatu;

    układ umożliwia rejestrację widm absorpcyjnych i odbiciowych w świetle spolaryzowanym (600-18000 cm^-1), widm rozproszenia Raman oraz wykorzystywany jest w analizie termooptycznej (TOA);

  • Układ do badań własności optycznych jednocześnie w funkcji temperatury (4.2­–300 K) i ciśnienia (od ciśnienia atmosferycznego do 20 GPa)
    

    kriostat optyczny CF 2102 firmy Oxford Inst. z wyposażeniem, kowadło diamentowe Diacell D-07 umieszczone na zimnym palcu kriostatu – max ciśnienie 100 GPa;

    układ umożliwia rejestrację widm rozproszenia Ramana w funkcji temperatury i ciśnienia.

    

• Wyposażenie do przygotowywania materiałów do badań

  • laboratorium chemiczne
  • powlekacz obrotowy Laurell W5-650MZ-23NPPB do nanoszenia cienkich warstw
  • młyn kulowy do mechanosyntezy
  • suszarka laboratoryjna
  • pastylkarka
  • prasa hydrauliczna
  • waga laboratoryjna
  • kuwety do gazów (l = 10 cm) i cieczy (l = 0,1-50 mm) wykonane ze szkła, kwar-cu, NaCl, KRS-5, BaF2, KBr, CsJ
  • kowadła diamentowe
  • elektrodrążarka do wykonywania otworów w uszczelkach
  • urządzenie do intendowania uszczelek
  • myjka ultradźwiękowa,
  • mikroskop stereoskopowy (max pow. x20)
  • stacja lutownicza
  • mikroskop stereoskopowy Delta Optical IPOS 810 WS (obiektyw planachromat x2 – maksymalne powiększenie x400 wraz oświetlaczem koaksjalnym, modułem do ciemnego pola i adapterem fotograficznym z kamerą mikroskopową
    

• Stacje obliczeniowe

  Wykorzystywane przez nas oprogramowanie (programy Gaussian oraz Crystal) umożliwiają wykonywanie obliczeń drgań sieci (fononów), drgań oscylacyjnych oraz przejść elektronowych.

Współpraca naukowa

• Instytut Niskich Temperatur i Badań Strukturalnych, Polskiej Akademii Nauk we Wrocławiu, Wrocław, Polska
• Wydział Fizyki, Uniwersytet im. Adama Mickiewicza, Poznań, Polska
• Instytut Fizyki im. A. Chelkowski, Uniwersytet Śląski, Katowice, Polska
• Instytut Fizyki im. M. Smoluchowskiego, Uniwersytet Jagieloński, Kraków, Polska
• Wydział Inżynierii Materiałowej i Fizyki Technicznej Politechniki Poznańskiej, Poznań, Polska
• Instytut Fizyki, Uniwersytet Marii Curie Skłodowskiej, Lublin, Polska
• Department of Physics, Lancaster University, Lancaster, Wielka Brytania
• Dipartimento di Scienze Fisiche, Universita' di Napoli "Federico II", Neapol, Włochy
• Leibniz Institute for Solid State and Materials Research, Drezno, Niemcy
• Instiute of Solid State Research (IFF) , Juelich, Niemcy
• Technische Universität Dresden, Niemcy
• University of Twente, Holandia
• Max Planck Institute for Solid State Research, Stuttgart, Niemcy
• CNRS-Thales, Orsay, Francja
• Institute for Theoretical Physics, RWTH, Aachen, Niemcy
• Universität Regensburg, Regensburg, Niemcy
• University of Bonn, Niemcy
• University of St Andrews, Wielka Brytania
• Uppsala University, Szwecja
• Cambridge University, Wielka Brytania
• Institute of Physics of the Czech Academy of Sciences (FZU), Praga, Czechy
• Institute of Physics, Greifswald University, Niemcy

Obszar badawczy

Obliczenia struktury elektronowej i właściwości termodynamicznych materiałów kwantowych oraz analiza wpływu silnych korelacji ładunkowych, spinowych, orbitalnych i sieciowych na ich własności transportowe.

Cele badawcze

Przedmiotem badań realizowanych w Zakładzie Teorii Nanostruktur i Materiałów Kwantowych są nanostruktury oraz materiały kwantowe. Materiały stanowiące przedmiot zainteresowań to między innymi magnetyki, izolatory topologiczne, nadprzewodniki, multiferroiki oraz grafen. Istotny wpływ na właściwości badanych układów mają efekty kwantowe. W zakładzie wykonujemy obliczenia w oparciu o rozważania modelowe, metody ab initio oraz uczenie maszynowe. Prowadzone badania mają charakter zarówno poznawczy, jak i aplikacyjny.

Obliczenia ab initio (inaczej z pierwszych zasad) prowadzimy między innymi dla międzymetalicznych związków typu metal f-elektronowy (4f lub 5f) z metalem przejściowym (3d, 4d lub 5d). Koncentrują się one na określeniu struktury elektronowej oraz właściwości optycznych, magnetycznych, ferroelektrycznych i termodynamicznych materiałów. Celem poznania właściwości badanych układów jest identyfikacja oraz interpretacja nowych zjawisk fizycznych istotnych dla rozwoju nanotechnologii, spintroniki i kalorytroniki spinowej.

Bazując na zbiorach danych uzyskanych z obliczeń z pierwszych zasad, wykonujemy również obliczenia z wykorzystaniem uczenia maszynowego. Pozwala to na przyspieszenie i poszerzenie zakresu prowadzonej analizy.

W zakładzie zajmujemy się również zagadnieniami transportu spinowego, korelacji elektronowych (hubbardowskie, blokada kulombowska, efekt Kondo) i niedoskonałości strukturalnych (efekty brzegowe, interfejsy, defekty, domieszki, pofałdowanie powierzchni). Wyznaczamy charakterystyki prądowo-napięciowe i spintroniczne układów mezoskopowych o różnych wymiarowościach (kwantowe druty, kontakty i kropki kwantowe). Interesują nas silne korelacje elektronowe, elektryczna kontrola spinowych stopni swobody układu, możliwości splątania elektronów oraz topologiczne aspekty materii kwantowej mogące objawić się pojawianiem quasi-cząstki Majorany. Są to kluczowe właściwości z punktu widzenia potencjalnych zastosowań w komputerach kwantowych. Rozwijanie teorii opartej na wykorzystaniu spinowego (obok ładunkowego) stopnia swobody elektronu nawiązuje natomiast do innowacyjnych, energooszczędnych koncepcji elektroniki przyszłości – istotnych dla ochrony środowiska naturalnego i gospodarki. Badania mają celu poznanie fundamentalnych praw opisujących termodynamikę takich układów, co ma kluczowe znaczenie dla projektowania nanosilników cieplnych (np. generatorów termoelektrycznych) albo optymalizacji kosztu energetycznego obliczeń.

Profil badawczy

Badania teoretyczne zjawisk elektronowych, magnetycznych i magneto-termoelektrycznych w układach nanoskopowych prowadzone są w oparciu o rozważania modelowe, jak i o nowoczesne podejście obliczeń ab initio. 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), a także klasyczne i kwantowe równania master. Posiadane wieloprocesorowe serwery umożliwiają obliczenia w sposób zrównoleglony. Spora część mocy obliczeniowej przeznaczona jest na poszukiwanie (z wykorzystaniem uczenia maszynowego) magnesów trwałych, które nie zawierają ciężkich pierwiastków ziem rzadkich. Badania te wspierane są grantami w Poznańskim Centrum Superkomputerowo-Sieciowym, które umożliwiają pozyskanie dodatkowego czasu obliczeniowego.

Organizowane i współorganizowane konferencje

• Physics of Magnetism – konferencja organizowana w Poznaniu co trzy lata od 1975 r. (PM ’23, PM ’21, PM ’17, PM ’14, PM ’11, PM ’08, PM ’05, PM ’02, PM ’99, PM ’96, PM ’93, PM ’90, PM ’87, PM ’84, PM ’81, PM ’78, PM ’75)
• 24th Soft Magnetic Materials Conference, 4 - 7 września 2019, Poznań
• ECMetAC Days 2018, 3 - 5 grudnia 2018, Poznań
• SPINTRONICS ’05, Spin-Dependent Transport through Nanostructures, 25-30 września 2005, Mierzęcin k/Poznania
• MAGNA ’04, School on Nanostructured Systems: Basic Properties and Technology
• NM ’03, Summer School on New Magnetics (NM)
• SPR-KKR ’03, Workshop on Band Structure and Spectra Calculations by SPR-KKR Method
• Poznań-Kharkov Seminar „Physics of Magnetics”, Poznań, 13-17.01.1997
• International Conference on Magnetism ICM’94, Warszawa, 22-26.08.1994
• Summer School „On the Theory of Magnetic Alloys”, Błażejewko, 7-10.10.1980
• Summer School „On the Theory of Dilute Alloys”, Błażejewko, 20-25.10.1976