Projekti / Programi
Dinamika kompleksnih nanosnovi
01. januar 2015
- 31. december 2021
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 1.02.00 |
Naravoslovje |
Fizika |
|
| Koda |
Veda |
Področje |
| P002 |
Naravoslovno-matematične vede |
Fizika |
| Koda |
Veda |
Področje |
| 1.03 |
Naravoslovne vede |
Fizika |
ultrahitra dinamika nastanek izvedenih, tekmovanje parametrov ureditve, manipulacija faznih prehodov, preklapljanje v skrita stanja, študij transporta v metastabilnih stanjih, novi nanomateriali za nanoelektroniko, sinteza in novi materiali, razvoj teorij nehomogenih funkcionalnih snovi
Raziskovalci (40)
Organizacije (1)
| št. |
Evidenčna št. |
Razisk. organizacija |
Kraj |
Matična številka |
Štev. publikacijŠtev. publikacij |
| 1. |
0106 |
Institut "Jožef Stefan" |
Ljubljana |
5051606000 |
90.664 |
Povzetek
Cilj raziskovalnega programa je raziskava neravnovesne dinamike nelinearnih kompleksnih sistemov kondenzirane snovi z uporabo kombinacije skrbno izbranih eksperimentalnih in teoretičnih metod.
Glavna izvirna ideja za to pionirsko raziskavo naše skupine je, da neergodični prosto razvijajoči se sistemi razkrivajo povsem drugačno fiziko kot tradicionalni eksperimenti, ki so izvedeni pod ergodičnimi pogoji, v katerih je voden le eden od zunanjih parametrov, kot so npr. temperatura, tlak, zunanje polje, itd. V časovno razvijajočih se sistemih je dinamika prek prehoda z zlomom simetrije v glavnem določena z enim specifičnim tipom vzbujenega stanja brez vpliva drugih ekscitacij osnovnega vakuuma (elektroni, fononi, magnoni). Obdelali bomo temeljna vprašanja o efektu simetrije in temeljnih interakcij osnovnih mikroskopskih vakuumov na globalno izvedeno obnašanje. To nam bo dalo nov vpogled v mehanizme, ki vodijo do zlomov simetrije, in odprlo nove načine študije obnašanja snovi v neravnovesnih pogojih. Obenem pa obeta razvoj nove generacije elektronskih naprav osnovanih na kompleksnih materialih, zlasti obstojnih spominskih elementov.
Eksperimenti bodo osredotočeni na meritve z novimi ultrahitrimi spektroskopskimi tehnikami, ki smo jih nekaj razvili tudi v naši skupini (npr. tri-pulzni eksperimenti »kozmičnega kaljenja«). Ti bodo komplementirani z nanoelektronskimi eksperimenti zlasti prenosa naboja z novo in revolucionarno večsondno tehniko tunelskega mikroskopiranja v kombinaciji z optičnimi vzbuditvami.
Raziskovalna skupina je okrepljena z nekaj novimi člani, ki so prinesli sveže poglede in nove izkušnje, s katerimi bomo v zagnali nove eksperimentalne metode predlaganega programa.
Poudarek bo na novih materialih, ki kažejo izvedene lastnosti kot rezultate kolektivnih ekscitacij, katerih fazne prehode med različno urejenimi stanji lahko preiskujemo v realnem času. Najzanimivejši sistemi so: a) sistemi z urejenim nabojem: plastoviti tri-teluridi in dihalkogenidi prehodnih kovin s kvazi enodimenzionalnimi verižnimi sistemi, b) oksidni in pniktidni superprevodniki, c) sistemi s tekmujočimi ureditvenimi parametri: pniktidi in vanadati redkih zemelj.
Naša skupina bo svoje strokovno zanje uporabila tudi na raziskavah z bolj neposrednim potencialom praktične uporabe: dinamika elektronske relaksacije v materialih za sončne celice bo vodila k učinkovitejšim sončnim celicam in transportnim študijam novih nanostruktur brez fotovzbujanja.
Zelo pomemben del aktivnosti naše skupine je sinteza novih materialov, ki kažejo različne funkcionalne lastnosti pomembne v tem kontekstu, z uporabo različnih tehnik, vključno z epitaksijo z molekularnim žarkom, ki nam bo omogočila sintezo vrhunskih novih materialov za raziskave, hkrati pa bo vodila k hitremu razvoju možnih aplikacij.
Eksperimentalni napori bodo dopolnjeni s teoretičnim modeliranjem dinamike in urejanja nelinearnih sistemov, ki je bistveno za umestitev eksperimentalnega dela na višji nivo.
Pomen za razvoj znanosti
Program je nadaljevanje zelo uspešnega raziskovalnega dela iz obdobja 2008-2013 na “Dinamiki kompleksnih nanosnovi”. Sodeč po zgodovini objav (vključno s številnimi članki v Science, Nature revijah, PRL in podobno), ter uspehu pri vzpostavljanju novih raziskovalnih področij s pomočjo vrhunske opreme iz EU sredstev in drugih prestižnih virov (ERC projekt, Marie-Curie in drugi projekti iz 7. O.P.), so aktivnosti članov skupine zelo cenjene tako v Sloveniji kot v svetu. Skupina je našla uspešen recept za izvjajanje izvrstne znanosti, ki temelji na nizu študentov in majhnega števila dobro-koordiniranega izkušenega tima.
Znanstveni pomen
Študij razvoja sistemov skozi prehode z zlomom simetrije v kondenzirani materiji, ki zlomijo različne vrste simetrij (prostorsko, umeritveno, obrat časa, itd.) z opazovanjem enodelčnih in kolektivnih vzbuditev ima pomembne posledice v temeljni fiziki časovno se razvijajočih sistemov. Analogija s kozmologijo (npr. veliki pok) je še posebej ustrezna, kot jo diskutirajo Kibble, Zurek, Varma, Volovik in drugi. Zanimivi so tudi ostali sistemi, kot npr. zlomi simetrije, ki nastanejo pri trkih osnovnih delcev, ki jih tipično diskutirajo v okviru teorij na osnovi teorije Ginzburga in Landaua, kot je npr. standardni model.
V širšem kontekstu sta fizika ekonomskih in socioloških sistemov očitna primera sistemov, ki gredo v času skozi prehode z zlomom simetrije.
Pomembnost projekta je, da lahko izbiramo različne simetrije v različnih laboratorijskih sistemih za posnemanje nedostopnih ali realno neponovljivih prehodov z zlomom simetrije kot so veliki pok in borzni zlomi. Nastanek različnih simetrij je možno raziskati z ustrezno izbiro sistema, kar omogoči pomembne analogije. Primer je analogija vrtincev in domenskih sten s kozmičnimi strunami in "branami". Analogi temne snovi se ponujajo s šibko sklopljenimi vzbuditvami, kot so fononi.
Manipulacija prehodov z zlomom simetrije je temeljnega pomena kot sredstvo za usmerjanje sistemov v skrita urejena stanja, ki niso dosegljiva pri ergodičnih pogojih, kar odpira okno v tako imenovana “vzporedna vesolja”. (Širši vpliv trenutnih raziskav je bil predstavljen v predavanju TEDx (http://www.youtube.com/watch?v=FnL7I6tESAs&sns=em).
Polje teh raziskav se hitro širi in prva mednarodna konferenca na temo "Higgsovih bozonov v kondenzirani snovi" bo organizirana na Yukava Institute v Kyotu v letu 2014. Poleg tega so nam zaupali organizacijo mednarodne konference Photoinduced Phase Transitions PIPT5 junija 2014 na Bledu in konferenco Flatlands beyond graphene v letu 2015, kar odseva ugled naše skupine na področju.
Predlagane raziskave imajo številne tehnološke "spin-offe". Prvi prihaja iz podporne znanosti o materialih, ki vodi do nove funkcionalnosti nanomaterialov, kar je bilo že dokazano v preteklosti (npr. MoSI v baterijah, katalizi, substratih za prepoznavne senzorje in dodatkih lubrikantov). Razumevanje relaksacije energij fotovzbujenih elektronov je neposredno relevantno za razumevanje prenosa naboja in učinkovitosti solarnih celic ter drugih funkcionalnosti. Preliminarni uspeh smo demonstrirali pred kratkim v članku, kjer smo dosegli sistematično 18% izboljšanje izkoristka. Od takrat smo dosegli tudi do 60% izboljšanje, kar je izjemen dosežek, saj je bil napredek tipično počasen, s tipičnimi izboljšanji manjšimi od 10%.
Naslednja kategorija “spin-offov” je še bolj razburljiva in prihaja od fotoinduciranih prehodov samih. Kontrola prehodov z zlomom simetrije v času je zelo pomembna v bodoči elektroniki, še posebej pomnilnikih. Potencialno revolucionarni razvoj je uporaba fotoinduciranega ali tokovno injeciranih prehodov v skrita stanja (Stojchevska et al., Science, 2014) za trajne pomnilne elemente, ki bi lahko premostili špranjo v hitrosti med hitrim dinamičnim in statičnim masivnim pomnilnikom, ki omejuje razvoj računalnikov že od leta 1980 (IBM report, G.W. Burr, 2013). Naš pristop je potencialno konkurenčen memristorju (HP), spinsko-navornemu spominu (STM) in
Pomen za razvoj Slovenije
Uvajanje novih tehnologij in raziskovalnih področij
Raziskovalni program uvaja številne nove interdisciplinarne tehnologije ter nova in originalna raziskovalna področja v Sloveniji, še posebej časovno ločljivo spektroskopijo, nanoelektroniko in nanolitografijo (z elektronskim žarkom in uporabo običajnih laserjev). Izdelava FET nanonaprav, atomska enoslojna depozicija (ALD) ter MBE, so popolnoma nove tehnike v Sloveniji. Razvoj opreme LT4 Omicron, ki omogoča STM/AFM/SEM je prvi te vrste na svetu.
Spin-off podjetja
V zadnjih desetih letih so člani raziskovalnega programa odprli dve spin-off podjetji (Mo6 in NANOTUL). Področje prehodnih kovin, skupaj z njihovimi oksidi, karbidi, sulfidi in nitridi, predstavlja zelo zanimivo področje med kemijskimi in fizikalnimi znanostmi ter tehnologijo. Veliko teh spojin je tehnološko zelo pomembnih na različnih področijh uporabe - od elektronike, za trdna maziva, nanokompozite in materiale za shranjevanje in pretvorbo energije. Naslednje načrtovano odcepljeno podjetje bo razvijalo komercialno zelo zanimivi večkanalni detektor za femtosekundno spektroskopijo. Prototip je v fazi testiranja.
Upravljanje z raziskovalno opremo
Člani raziskovalnega programa so vodili nabavo in vzdrževanje številne raziskovalne opreme: FIB, ALD, MBE, AFM Raman, 4-sondni STM/AFM/SEM. Opremo smo določili in vpeljali v delovanje v sklopu naše skupine v okviru Centra odličnosti za nanoznanosti in nanotehnologije - Nanocentra, ki ga vodi vodja te programske skupine. Oprema, ki je bila nabavljena s sredstvi pridobljenimi v okviru evropskih skladov za prestrukturiranje, je namenjena za uporabo v akademskih krogih in pri industrijskih partnerjih.
Usposabljanje študentov za industrijo
Študentje, ki so se usposabljali v okviru programske skupine, so kot vrhunsko usposobljeni raziskovalci našli zaposlitev v slovenski industriji, zlasti v podjetjih z visoko dodano vrednostjo (npr. LPKF, Helios, BSH Bosh und Siemens Hausgeräte, Xpand, Litostroj Power) ali v tujini (npr. IEE Luxemburg, Ilmenau University, Nemčija, German Research School for Simulation Science).
Sodelovanje z industrijo
Močno sodelovanje poteka predvsem z LPKF - mednarodnim, srednje velikim visokotehnološkim podjetjem, s katerim razvijamo lasersko litografijo nove generacije (obstoječi sistem, ki smo ga razvili skupaj s Fakulteto za fiziko in matematiko Univerze v Ljubljani je komercialni produkt).
Novi anorganski nanomateriali so v nenehnem razvoju za uporabo v kompozitih in premazih (Helios d.d., Cinkarna Celje d.d.). V bionanosenzorjih (Kolektor/Nanotesla institut), pri elektrodah za baterije, primeseh v sončnih celicah in v elektroniki pričakujemo komercialno uporabne rezultate. Pri tem ločimo med novimi uporabami materialov, ki so jih odkrili drugi v svetu in tistimi, ki smo jih odkrili sami. Slednji so kot dosežki veliko bolj zanimivi, do njihove uporabnost oz. komercializacije pa je navadno daljša pot. Dejavnosti industrije, kjer je možno sodelovanje z našo raziskovalno skupino, so zelo raznolika, od avtomobilske industrije, tiska, gospodinjskih aparatov, zdravil, laserjev itd.. Dosedanje sodelovanje raziskovalne skupine zajema podjetja iz različnih slovenskih regij (Idrija, Celje, Naklo, Domžale, Ljubljana), ki s svojimi izdelki nastopajo tudi na mednarodnih trgih.
Mednarodna sodelovanja
Raziskovalna skupina ima eno od vodilnih svetovnih vlog na svojem raziskovalnem področju in sodeluje s skupinami iz vodilnih univerz in inštitutov, kot so npr. UC Berkeley, Stanford University, Tokyo University, Max Planck in MIT.
Podeljena nagrada ERC Advanced grant v letu 2013 priča o kakovosti skupine in njen pomen za promocijo Slovenije kot znanstveno in tehnološko napredne države.
Naša skupina trenutno sodeluje v številnih projektih EU: ERC Advanced Grant, Marie Curie ITN, HINT - EU projekt 7OP, več COST projektih in bilateralnih projektih. Raziskovalna skupina ima preko projektov CO Nanocentra dostop do preko 100 slovenskih in mednarodnih projektov, ki se n
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Letno poročilo
2015,
vmesno poročilo
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
Letno poročilo
2015,
vmesno poročilo
