Fizika kvantnih in funkcionalnih materialov

Čeprav se kvantne pojave že dolgo izkorišča v številnih elektronskih napravah, se je v zadnjem desetletju dramatično izboljšalo naše razumevanje, kako subtilni kvantni pojavi nadzorujejo makroskopsko vedenje cele vrste materialov z različnimi funkcionalnostmi. Raziskovalni program "P1-0125: Fizika kvantnih in funkcionalnih materialov" bo raziskal temeljne fizikalne pojave v takšnih materialih in raziskal možnosti novih aplikacij. Raziskovalni program združuje široko in dopolnjujoče se znanje velike skupine fizikov kondenzirane snovi z dokazanimi izkušnjami na tem področju, ki se odražajo kot številne visoko citirane objave v odmevnih mednarodnih revijah (npr. Science in Nature), z različnimi nacionalnimi in mednarodnimi nagradami, plenarnimi in vabljenimi predavanji na najprestižnejših mednarodnih konferencah, pa tudi z mednarodnimi patenti. Poudarek raziskovalnega programa bo potekal v dveh tesno povezanih smereh: materialih in sorodnih tehnologijah. Naš glavni cilj bo poglobiti razumevanje (i) pojavov kvantnega prepletanja v materialih, (ii) topoloških lastnosti in njihovega vpliva na urejena stanja, (iii) novih kvazidelcev, napovedanih v nizkodimenzionalnih kvantnih materialih, (iv ) vloge napak pri stabilizaciji kvantnega reda, (v) vloge elektronskih korelacij pri tekmovanju med različnimi vrstami kvantnega reda in (vi) sklopitev različnih prostostnih stopenj, da se izkoristi (več)funkcionalno obnašanje, kakršno najdemo v multiferoikih in elektrokalorikih. Te pojave bomo raziskali (i) v skrbno izbranih družinah kvantnih materialov, ki kažejo nekonvencionalno superprevodnost, kvantni magnetizem ali eksotično kvantno spinsko-tekočino, (ii) v vrsti topoloških materialov, kot so tisti z magnetnimi Skyrmioni, v multikaloričnih in multiferoičnih materialih in (iv) v zlitinah z veliko entropijo. Raziskovalna skupina bo uporabila širok nabor eksperimentalnih tehnik, ki so na voljo v domači ustanovi, kot so magnetna resonanca in dielektrična spektroskopija, meritve toplotnih in magnetnih lastnosti, pa tudi druge tehnike, ki so na voljo v evropski veliki raziskovalni infrastrukturi, kot je nevtronsko sipanje in mionska spektroskopija. Razvite bodo tudi nove tehnike za obravnavanje kvantnih in funkcionalnih pojavov v širokem obsegu energije, dolžine in časa. Naše eksperimentalne ugotovitve se ne bodo samo primerjale s paradigmatičnimi teoretičnimi modeli, temveč bodo spodbudile tudi raziskave več potencialnih aplikacij. Zlasti bomo razvili novo visoko občutljivo metodo optične magnetometrije, ki bo izzivala trenutne meje občutljivosti, predlagali bomo nove metode za kvantno računanje z uporabo magnetnoresonančnih tehnik in raziskali bomo nove funkcionalne materiale za 3D tiskanje.

Raziskovalni program "P1-0125: Fizika kvantnih in funkcionalnih materialov" bo izvedel ambiciozen raziskovalni program na področju kvantnih in funkcionalnih materialov, ki predstavljajo vrh današnje znanosti o materialih in napravah, z obravnavo več odprtih vprašanj, ki bi lahko imele globok vpliv v prihodnosti. Čeprav so znanstveniki in inženirji materialov že dolgo izkoriščali kvantne učinke v različnih elektronskih napravah, se je v zadnjem desetletju dramatično razširilo naše razumevanje, kako subtilni kvantni učinki nadzorujejo makroskopsko in funkcionalno vedenje širokega spektra materialov. Naše raziskave bodo pripeljale do odkritij, kako kvantni in topološki učinki opredeljujejo funkcionalnost izbranih družin materialov, in prispevali k našim temeljnim znanjem (i) o kvantni prepletenosti v trdnem stanju, (ii) o topoloških lastnostih in njihovem vplivu na urejena stanja , (iii) o novih kvazidelcih, napovedanih v nizkodimenzionalnih kvantnih materialih, (iv) o vlogi defektov pri stabilizaciji kvantnega reda, (v) o vloga elektronskih korelacij pri konkurenčnih kvantnegih redih in (vi ) o sklopitev različnih prostostnih stopenj, da se izkoristi (več)funkcionalno obnašanje, kakršno najdemo v multiferoikih in elektrokalorikih. Iskanje odgovorov na odprta vprašanja bo privedlo do odmevnih objav na visoki ravni, ter vabljenih plenarnih predavanj na pomembnih mednarodnih konferencah. Razvite bodo tudi nove tehnike za obravnavanje kvantnih in funkcionalnih pojavov v širokem razponu energije, dolžine in časa. Zlasti bomo razvili novo visoko občutljivo metodo optičnega magnetometra, ki bo izzvala trenutne meje občutljivosti, predlagali bomo nove metode za kvantno računanje z uporabo magnetnoresonančnih tehnik in raziskali bomo nove funkcionalne materiale za 3D tiskanje, ki presegajo trenutno stanje. Naše raziskovalne dejavnosti bodo tako privedle do ustvarjanja novih izdelkov in tehnologij, ki temeljijo na kvantnih in funkcionalnih materialih (npr. multikalorični in multiferoični materiali). Nekatere tehnološke rešitve za odkrivanje in manipuliranje kvantnih stanj snovi v funkcionalnih materialih bodo prešle skozi celoten postopek inovacij, od mednarodnih patentnih prijav do ocen ekonomskega potenciala naših odkritij. Naše tesne povezave z mednarodnimi partnerji bodo spodbujale dostop do tujih znanj in izmenjavo na tem visoko konkurenčnem in obetavnem raziskovalnem področju. Povezave z uglednimi svetovnimi znanstvenimi institucijami se bodo še razširile, da bi lahko naše raziskave daleč presegle trenutno stanje tehnike. Predlagane dejavnosti bodo vzpostavile raziskovalno skupino P1-0125 ne le kot nacionalno, ampak mednarodno priznano središče za raziskovanje in uporabo kvantnih in funkcionalnih materialov.

Pomen dejavnosti raziskovalnega programa "P1-0125: Fizika kvantnih in funkcionalnih materialov" za slovenski družbenoekonomski in kulturni razvoj bo večplasten: 1) Člani programa bodo izvajali temeljne znanstvene raziskave na visoki ravni, pri čemer bodo vedno upoštevali potencialne aplikacije. Izbira problemov na novih kvantnih in (več)funkcionalnih materialih ter zbirka eksperimentalnih tehnik, ki so na voljo P1-0125, je taka, da daje posebno plodno osnovo za izume novih tehnologij. Nadaljevali bomo z uveljavljeno prakso zaščite pravic intelektualne lastnine (IPR) in vzpostavili standardne postopke za zaščito pravic intelektualne lastnine in oceno gospodarskega potenciala izumov P1-0125. Možnosti za ustanovitev odcepljenih podjetij in možnosti financiranja (vključno s financiranjem prek Evropskega sveta za inovacije) bomo stalno spremljali. 2) Svoje strokovno znanje bomo aktivno ponujali slovenski industriji in tako skupaj razvijali nove izdelke ali tehnologije. V tej smeri bomo nadaljevali z uspešnim sodelovanjem s slovensko industrijo iz preteklega obdobja financiranja in iskali nove priložnosti sodelovanja. 3) Naš raziskovalni program bo nadaljeval s kulturo rednih dejavnosti za promocijo znanosti v širši javnosti, saj menimo, da je razvoj družbe odvisen tudi od sprejemanja znanstvenih rezultatov in novih tehnologij. V okviru programa bomo nenehno razvijali veščine komuniciranja znanosti na ravni, ki jo lahko razume splošno občinstvo. Poleg tega bomo splošno javnost nagovarjali preko vseh sodobnih tehnoloških platform (npr. YouTube ali podobne), se udeležili vseh pomembnejših dogodkov za promocijo znanosti ali sodelovali v znanstvenih prispevkih za nacionalne časopise ali TV/radijske postaje. 4) Visoka raven usposabljanja študentov, ki jo zagotavlja program P1-0125, bo pomembna za razširjanje znanja o kvantnih in funkcionalnih materialih zunaj akademskih meja ter za spodbujanje sodelovanja s slovenskimi industrijskimi partnerji. Sodelovali bomo v študijskih programih na Fakulteti za matematiko in fiziko Univerze v Ljubljani in na Mednarodni podiplomski šoli Inštituta Jožef Stefan in tako v študijski program neposredno vnesli nova odkritja. 5) Ker bo epidemija Covid-19 verjetno še naprej vplivala na javno življenje, bomo svoje znanje in raziskovalno opremo uporabljali za izboljšanje in razvoj osebne zaščitne opreme.