Projekti / Programi
Nova osnovna stanja in kvantne kritične točke v nižjedimenzionalnih kvantnih spinskih sistemih
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 1.02.01 |
Naravoslovje |
Fizika |
Fizika kondenzirane materije |
| Koda |
Veda |
Področje |
| 1.03 |
Naravoslovne vede |
Fizika |
Raziskovalci (5)
Organizacije (2)
Pomen za razvoj znanosti
Napovedovanje in razumevanje lastnosti zapletenih osnovnih stanj v močno geometrijsko frustriranih antiferomagnetih je eno temeljnih vodil razvoja fizike trdne snovi. Mreža Kagomé, ki predstavlja najbolj frustriran primer dvo-dimenzionalne spinske mreže, je bila zato osnovna tema raziskav na tem področju vse od leta 1951, ko je Syozi objavil svoje prve ugotovitve o magnetizmu na tej mreži v limiti Isingovih spinov. Družina Langasitov, ki smo jo preučevali v sklopu tega projekta, je prva realizacija močno izotropne spinske mreže Kagomé, zato je kot prva omogočila soočanje teorij, ki so se razvije v zadnjjih šestih desetletjih, z eksperimenti.
V tem projektu smo se dotaknili izredno pomembnih vprašanj fizike v bližini posebnih točk faznega diagrama kvantnega antiferomagneta, ko je dimenzionalnost znižana na ena, tako da med posameznimi 1D objekti oziroma LL ostanejo le še morebitne šibke interakcije. Spraševali smo se, kakšna je narava kvantnega kritičnega območja nad kvantno kritično točko zbirke šibko sklopljenih LL ter kako izgleda dimenzionalni prehod med 3D kvantnim kritičnim območjem, kjer so vzbuditve bozoni (kakor v BEC), in 1D kvantnim kritičnim območjem, kjer so vzbuditve fermioni (kakor v LL). Raziskovali smo tudi, kako izgleda prehod med dvema tipoma urejene faze šibko sklopljenih LL, kjer je vsaka faza določena s svojim tipom dominantnih fluktuacij, navzočih v LL. Z odkritjem novih faz (induciranih z magnetnim poljem) na vzorcu BaCo2V2O8 smo z NMR reproducirali fazno mejo med inkomenzurabilno ter paramagnetno fazo ter dognali, da novi fazi ustrezata kolumnarni in feromagnetni fazi frustriranega modela spinov na kvadratni mreži. S svojim delom smo dokazali, da BaCo2V2O8 lahko služi kot simulator frustriranega magnetizma na kvadratni mreži. Ti rezultati bodo pomembni tudi za širše področje fizike, saj se s podobnimi vprašanji na primer srečujejo tudi v fiziki hladnih atomov.
Sklopitev med različnimi prostostnimi stopnjami v močno frustriranih sistemih omogoča učinkovito manipulacijo posameznih ureditvenih parametrov. Pomemben primer predstavljajo magnetoelektrični materiali, kjer pod določeno temperaturo sočasno obstajata tako magnetni kot tudi feroelektrični red. Čeprav so tovrstni materiali znani že dolgo, je sklopitev med obema parametroma reda izredno šibka in zatorej ne omogoča obračanja električne polarizacije z magnetnim poljem ali pa magnetizacije z električnim poljem. Šibka sklopitev se na primer odraža v zelo različnih temperaturah magnetnega in feroelektričlnega prehoda. V geometrijsko močno frustriranem sistemu FeTe2O5Br pa smo tovrstni problem poskušali zaobiti na drugačen način. V raziskavah smo se osredotočili na sistem, kjer je magnetna ureditev taka, da iz simetrijskih razlogov
dovoljuje tudi feroelektrično ureditev. Zaradi prisotnosti tako imenovanih “lone pair”
elektronov pa je feroelektrična ureditev zelo verjetna. V meritvah smo tako pokazali, da se oba reda razvijeta hkrati, torej pri isti temperature prehoda. To nam že kaže na močno
magnetoelektrično sklopitev v tem sistemu, ki smo jo tudi potrdili tudi v poskusih pri različnih magnetnih poljih. Pri meritvah v močnem magnetnem polju smo namreč opazili velike spremembe v dielektrični konstanti. Z drugimi besedami, z magnetnim poljem smo vplivali na feroelektrični red. Taka manipulacija pa omogoča tudi vrsto zanimivih aplikacij, kot je na primer zapis informacije z magnetnim poljem in branje z električnim poljem ali pa na primer štirinivojski spomin. Magneto-električni red v FeTe2O5Br predstavlja nov razred magneto-elektrikov in njegovo odkritje predstavlja pomemben prispevek k svetovni zakladnici znanja. Prav tako odkritje "permanentne spinske dinamike" do 20 mK v tem sistemu lahko poda nov vpogled v nenavadno spinsko dinamiko v močno frustriranih sistemih.
Pomen za razvoj Slovenije
1. Prenos znanja v Slovenijo:
Čeprav nismo pričakovali, da bi naš projekt lahko vodil do neposrednih aplikacij v bližnji prihodnosti, pa vseeno ocenjujemo, da je splošno pomemben za družbo. Delovni sklop, posvečen širjenju znanja, smo namreč zasnovali tako, da je vzpodbudil številne povezave med slovenskimi raziskovalnimi skupinami in vodilnimi evropskimi laboratoriji. V tej luči smo pristopili k organizaciji mednarodne konference z naslovom “Magnetic resonance in highly frustrated magnetic systems”, ki smo jo uspešno organizirali v Kranjski Gori.
V okviru projekta »Nova osnovna stanja in kvantne kritične točke v nižjedimenzionalnih
kvantnih spinskih sistemih« smo uspešno vzpostavili tesno sodelovanje in izmenjavo z naslednjimi skupinami:
a) Laboratory for Novel Electronic States: NMR, MuSR and photoemission, Laboratoire de
Physique des Solides (LPS), Orsay, France (vodja Prof. Dr. P. Mendels),
b) Grenoble High Magnetic field Laboratory, CNRS, Grenoble, France (vodja Prof. Dr. C.
Berthier).
c) National High Magnetic Field Laboratory, Talahasse, ZDA (vodja, prof. dr. Hans van Tol)
Znanja, ki smo jih pridobili v okviru skupnih raziskav, smo uspešno prenesli v Slovenijo, še
posebej pa na mlajše raziskovalce. Za nas so bile še posebej pomembne izkušnje in rhunska raziskovalna oprema, do katere smo lahko dostopali v okviru teh raziskav. Še posebej bi radi poudarili, da so bili eksperimenti v visokih magnetnih poljih, ki smo jih opravljali v sodelovanju s skupinam iz Grenobla in Talahasseja, za naše raziskave izredno pomembni in jih zaradi pomanjkanja ustrezne raziskovalne opreme v Sloveniji nismo mogli izvajati. Sodelovanje s temi skupinami se bo nadaljevalo tudi v bodoče.
2. Razvoj mladih kadrov:
V projektno ekipo smo uspešno vključili mlajše raziskovalce (tudi mlade raziskovalce). Ti
raziskovalci so z pridobljenim (inženirskim - razvoj nove raziskovalne opreme je zahteval veliko inženirskega znanja) znanjem in izkušnjami zelo zanimiv kader tudi za slovensko industrijo, saj so pridobili poglobljena znanja s področja magnetizma, nanotehnologije ter
fizikalnih meritev. V okviru raziskav tega projekta je dr. Matej Pregelj uspešno zaključil svoje doktorsko izobraževanje, Anton Potočnik pa bo predvidoma svoj doktorat zagovarjal spomladi 2013. V projektno delo smo privabili tudi dodiplomske študente fizike na Fakulteti za matematiko in fiziko (Univerza v Ljubljani), ki so pri nas uspešno opravili svoje diplomske raziskave.
3. Vključevanje v mednarodne projekte:
Na osnovi rezultatov, objav, poročil v mednarodnih revijah ter konferencah smo bili
povabljeni v projekt COST (projekt je trenutno v fazi ocenjevanja). To vključevanje je
nadaljevanje naše aktivne vloge v ESF mreži »Highly frustrated magnetism«, kjer je bil prof. dr. Denis Arčon član programskega odbora. Leta 2011 smo pričeli tudi s sodelovanjem v FP7 projektu LEMSUPER (www.lemsuper.eu).
4. Razvoj novih eksperimentalnih tehnik.
Zelo uspešno smo uspeli razviti in testirati celici za NMR in EPR meritve pod visokimi pritiski (do 1.5 Gpa). Pri tem smo uporabili nekatere izvirne rešitve, kot je na primer uporaba dielektričnih resonatorjev v celicah kar je močno izboljšalo samo občutljivost mikrovalovnih resonatorjev. Poudariti je potrebno, da doslej v Sloveniji nismo imeli tovrstne opreme in da nam bodo te celice v bodoče omogočile dostop do nekaterih novih magnetnih faz.
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Letno poročilo
2009,
2010,
2011,
zaključno poročilo,
celotno poročilo na dLib.si
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
Letno poročilo
2009,
2010,
2011,
zaključno poročilo,
celotno poročilo na dLib.si
