Projekti / Programi
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 1.02.01 |
Naravoslovje |
Fizika |
Fizika kondenzirane materije |
| Koda |
Veda |
Področje |
| P260 |
Naravoslovno-matematične vede |
Kondenzirane snovi: elektronska struktura, električne, magnetne in optične lstnosti, supraprevodniki, magnetna rezonanca, relaksacija, spektroskopija |
| Koda |
Veda |
Področje |
| 1.03 |
Naravoslovne vede |
Fizika |
elektronske korelacije, teorija dinamičnega povprečnega polja, magnetni adatomi, fizika nečistoč, hranjenje podatkov, renormalizacijska grupa
Raziskovalci (8)
Organizacije (2)
Povzetek
Magnetne nanostrukture, ki bi bile zanimive za uporabo v bodočih tehnologijah, denimo za ultra gosto magnetno shranjevanje podatkov, so sistemi, sestavljeni iz nekega srednje velikega števila magnetnih momentov (100-1000), ki tvorijo delno urejene strukture adsorbatov na trdnih podlagah. Predvsem to velja za naslednjo generacijo trdih diskov, ki naj bi bili dokončno razviti in na trgu okoli leta 2025. Pričakuje se, da bodo temeljili na bitno urejenih medijih (angl. bit-patterned media, BPM), na katerih je vsak bit shranjen v nanodelcu iz ene same magnetne domene, ki obsega okoli 1000 atomov. Možnost izdelave tovrstnih naprav je že dokazal eden največjih proizvajalcev naprav za hranjenje podatkov, HGST. Ta trend kaže na potrebe po osnovnih raziskavah relevantnih dejavnikov in pojavov, kot so magnetna anizotropija, izmenjalna sklopitev med nečistočami, vloga podlage, delna krajevna urejenost adatomov, in superparamagnetizem. Magnetni sistemi te vmesne velikosti so velik izziv za teorijo, saj se jih je treba lotiti drugače kot majhne skupke nečistoč (kot so posamezni magnetni adatomi, ali skupki 2, 3 ali 4 nečistoč) ali veliko število momentov, ki tvorijo razsežno (makroskopsko) spinsko mrežo.
Razvili bomo učinkovite, zanesljive in natančne numerične metode za problem več teles, ki nam bodo omogočile raziskovanje sistemov, sestavljenih iz velikega števila kvantnih nečistoč (reda nekaj deset do sto, morda celo do tisoč) v stiku s skupno kopeljo prevodniških elektronov, ki prenašajo efektivne interakcije med nečistočami. Ti sistemi modelirajo velike gruče magnetnih adatomov na površinah. Osredotočili se bomo na najpomembnejše Hamiltoniane za nečistoče, na primer lokalne spine sklopljene z izmenjalno interakcijo na kopel (kot v Kondovem modelu nečistoče) ali skupine orbital z lokalnim odbojem med elektroni in Hundovo sklopitvijo, ki so hibridizirani s podlago (kot v Andersonovem modelu nečistoče) z razširitvami, ki omogočajo opis dodatnih efektov, ki so prisotni na površinah, kot je magnetna anizotropija. Obravnavali bomo različne tipe kopeli (navadno kovino, dopiran Mottov izolator, superprevodnik, topološki izolator), ker je značaj dominantne efektivne interakcije ter njena moč odvisna od nizkoenergijskih dvodelčnih vzbuditev podlage. Za takšne sisteme veliko nečistoč bomo izračunali lokalno gostoto stanj v poljubni točki prostora z zadosti visoko spektralno ločljivostjo, da bo možna primerjava s spektri dI/dV, merljivimi z nizkotemperaturnimi tunelskimi mikroskopi (STM), ki so danes glavno eksperimentalno orodje za opazovanje nanomagnetnih otočkov na površinah. Obravnavali bomo tudi potencialno energijo v odvisnosti od skupne magnetizacije različnih struktur in skušali najti dolgoživa metastabilna stanja.
Metoda, ki bo temeljila na teoriji dinamičnega povprečnega polja v realnem prostoru (angl. real-space DMFT ali RDMFT) in njene nelokalne razširitve bodo uporabne za poljuben sistem nečistoč in implementirane v obliki enovitega programskega paketa. V okviru projekta bomo izvedli velike izračune za dva paradigmatska primera:
1) emergenca pasovne strukture s težkofermionskimi vzbuditvami v Kondovih rešetkah, če sestavljamo posamezne Kondove nečistoče v zelo velike tesno pakirane otoke;
2) skupki adatomov na dopiranih Mottovih izolatorjih (slabih kovinah) in antiferomagnetnih površinah.
Trenutno ni jasno, kakšne nove pojave lahko pričakujemo v sistemih nekaj sto nečistoč (razen gole kompleksnosti). Je možno najti skupne značilnosti in nepričakovane pojave, ki jih porodijo sklopitve in tekmovanje med interakcijami? Iskanje odgovora na to vprašanje bo zelo razburljivo.
Pomen za razvoj znanosti
Velike potrebe po shranjevanju velikanskih količin podatkov so močna motivacija za razvoj novih metod za povečevanje površinske gostote informacije. Proizvajalec trdih diskov HGST je pred kratkim na trg spravil pogon s kapaciteto 8 TB. Da lahko dosežejo takšno kapaciteto, disk napolnijo s helijem in s tem znižajo trenje in vibracije. Druga novost je magnetno shranjevanje s "strešniki" (angl. shingled magnetic recording, SMR), ki ga promovira Seagate, kjer se sledi podatkov delno prekrivajo in za pisanje podatkov potrebujemo cikel branja, posodobitve in zapisovanja. Naslednji veliki načrtovani preskok pa je pisanje na bitno strukturirane nosilce (angl. bit-patterned media, BPM): tradicionalne zrnate medije bodo namestili diski, na katere bo nanešen gosti vzorec monodomenskih magnetnih otočkov velikosti okoli 10 nanometrov. HGST pričakuje, da bo ta tehnologija prešla iz faze prototipa v proizvodnjo okoli leta 2025. Takšna velikost otočka ravno ustreza zgornji meji, ki jo želimo doseči z našim reševalnikom problema veliko nečistoč. To pomeni, da ima ta projekt potencial, da zagotovi metodologijo za proučevanje magnetnih nanostruktur, ki bodo najverjetneje tvorile naslednji mejnik na področju shranjevanja podatkov v desetletju po 2020, pri čemer bodo velikosti reda nekaj 100 atomov. Proti koncu izvajanja tega projekta bo torej raziskovalna skupina bila v dobrem začetnem položaju, da bi lahko aktivno prispevala k raziskavam in naslednjim korakom miniaturizacije, ki se bodo začeli ravno takrat.
Premik od študija majhnih nanostruktur k raziskavam nekoliko večjih sestavljenih sistemov bo gotovo tudi prihodnji trend v fiziki močno koreliranih sistemov. Ta projekt bo eden zgodnjih korakov v to smer, s tem da bomo razvili nova orodja in začrtali nove smernice skozi prve aplikacije na modelskih sistemih. Dolgoročno bi se orodja lahko razvila do te mere, da bodo splošno veljavna, se bodo uporabljala tudi za druge sisteme in bodo lahko služila tudi drugim skupinam. To bomo olajšali s tem, da bodo programi odprtokodni, da bomo dali na voljo celovite primere (vhodne datoteke, skripte za poganjanje izračunov, skripte za procesiranje surovih rezultatov), in z organizacijo kratkih šolanj. Na tem področju ima predlagatelj projekta zelo pozitivno izkušnjo s šolo, organizirano za paket "NRG Ljubljana" leta 2013 na SISSI v Trstu. Vsi materiali (predstavitve in številni primeri) so zdaj javno dostopni in so se izkazali kot izjemno uporabni za raziskovalce, ki želijo hitro začeti opravljati prve izračune; to je razvidno iz povratnih informacij od končnih uporabnikov. To je po našem mnenju eden izmed najboljših načinov za distribucijo znanstvenega programja, še zlasti na nišnih področjih.
Pomen za razvoj Slovenije
Izsledki projekta bi bili uporabni za panogo hranjenja podatkov na magnetnih nosilcih. To je gospodarska panoga z globalnimi letnimi prihodki, ki se merijo v deset miliardah evrov (podjetja, kot so Western Digital, Seagate Technology). Ta podjetja imajo sicer velike lastne razvojne oddelke, ki pa opravljajo tudi povsem bazične raziskave na relevantnih področjih. Kot primer, nekatere izmed najpomembnejših raziskav magnetne anizotropije v magnetnih nanostrukturah na površinah so bile opravljene v IBMovem raziskovalnem centru v Almadenu, ZDA (skupina Andreasa Heinricha).
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Vmesno poročilo,
zaključno poročilo
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
Vmesno poročilo,
zaključno poročilo
