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.