Fyzikální ústav Akademie věd ČR

Specifické jevy v kondenzovaných systémech se sníženou prostorovou dimenzí a narušenou symetrií

Kód poskytovatele: AV0

Identifikační kód: Z10100520

Název výzkumného záměru: Specifické jevy v kondenzovaných systémech se sníženou prostorovou dimenzí a narušenou symetrií

Uchazeč: Fyzikální ústav AV ČR

Vykonavatel: Sekce fyziky kondenzovaných látek

Řešitel: prof. RNDr. Václav Janiš, DrSc.

Popis výzkumného záměru

Hlavním cílem předloženého výzkumného záměru je pochopení dynamických a kooperativních jevů v kondenzovaných látkách se sníženou prostorovou a s významným narušením symetrie způsobeným čárovými singularitami, kvantovanými víry, poruchami a nepravidelnostmi v prostorovém uspořádání. Pozornost bude věnována především látkám a systémům s význačnými dielektrickými, magnetickými, supravodivými a mechanickými vlastnostmi, jako jsou neuspořádané a nehomogenní látky, nanokompozity, supravodiče, kapalné krystaly, supratekuté helium a materiály ve formě vrstev, supermřížek, a materiály obsahující hranice zrn a domén, fázová rozhraní a klastry. Pro dosažení hlavního cíle budou vyvíjeny a zdokonalovány technologie vytváření těchto struktur, zkoumány růstové procesy při jejich vzniku a studovány jejich vlastnosti spojené s narušením symetrie. Při charakterizaci a studiu těchto materiálů půjde o vyváženou kombinaci experimentálních a teoretických přístupů. Volba materiálů pro naše studia bude zaměřena zejména na systémy, které mají potenciální aplikace v nejrůznějších oblastech. Mezi dielektrické systémy pro mikroelektroniku, komunikace a obrazovou techniku patří zejména feroelektrické, antiferoelektrické a relaxačně feroelektrické krystaly, keramiky a tenké vrstvy, systémy s modulovanou polarizací jako jsou nesouměřitelné struktury a umělé supermřížky feroelektrikum–paraelektrikum, mikrovlnné keramiky, kapalné krystaly s dipólovým (feroelektrickým i antiferoelektrickým) uspořádáním, kompozity feroelektrikum–dielektrikum či feroelektrikum–kov s různou konektivitou a uspořádáním a jiné systémy s definovanými a uspořádanými dielektrickými nehomogenitami, jako jsou např. fotonické krystaly. Budou připravovány a charakterizovány nové kapalně krystalické materiály s molekulami tyčinkovitého i lomeného tvaru mající feroelektrickou či antiferoelektrickou fázi, případně širší spektrum strukturních fází. Výzkum v oblasti kovových materiálů se soustředí na perspektivní materiály s význačnými mechanickými vlastnostmi, jako jsou intermetalika, vysokotavitelné kovové materiály, silicidy kovů a materiály s tvarovou pamětí. U intermetalik obsahujících prvky s f- a d-elektrony budou vyšetřovány i jejich magnetické vlastnosti s cílem hlubšího poznání mechanismů formování a vazeb magnetických momentů v kovových systémech s různými typy výměnných a anizotropních interakcí. Bude rozšířeno spektrum přípravy unikátních modelových vzorků – mono- a bikrystalů – pro toto studium. S využitím plazmové technologie pak budou připravovány systémy s význačnými magnetickými kooperativními vlastnostmi se zvláštním důrazem na mikrostrukturu, její změny a přítomnost rozhraní a budou připravovány kvalitní monokrystaly intermetalických slitin. S ohledem na budoucí aplikace budou studovány vlastnosti vybraných materiálů a systémů. V případě dielektrik bude výzkum zaměřen zejména na určení a interpretaci spekter komplexní permitivity v širokém frekvenčním oboru až do infračervené oblasti, tj. reálně v oboru 10–3 až 1014 Hz, v širokém oboru teplot 10–1000 K a v závislosti na vnějším elektrickém poli či fotoexcitaci. Tato měření budou doplňována dalšími zejména spektroskopickými metodami, jako je Ramanův rozptyl a nepružný rozptyl neutronů či měřeními nelineárně optickými a kalorimetrickými, nezbytnými pro pochopení dielektrických vlastností daných systémů. Pozornost bude zaměřena též na vliv mikroskopického i mezoskopického mřížkového nepořádku na zmíněná spektra a vlastnosti. Monokrystaly a bikrystaly kovových systémů nám umožní získat další základní poznatky o chování poruch krystalové mřížky, jako je mechanismus přechodu skluzových pásů i jednotlivých dislokací přes hranice zrn v různých materiálech. Pozorování hranic zrn in-situ přispěje k pochopení zákonitosti jejich pohybu, který je základním mechanismem vývoje struktur kovových materiálů při tepelném zpracování. Charakterizace chemického složení jednotlivých hranic zrn v nejrůznějších materiálech a zobecnění poznatků umožní dále propracovat naši nedávno navrženou metodu předpovědi segregačního chování hranic zrn a rozšířit ji – vedle železa a ocelí – i na další důležité materiály. Tyto poznatky budou moci být bezprostředně použity v rámci inženýrství hranic zrn při výrobě materiálů s optimálními vlastnostmi novými technologiemi. Významnou roli bude hrát fyzikální výzkum martenzitických transformací v kovových slitinách s tvarovou pamětí. Tyto materiály jsou vyráběny pro své unikátní termomechanické vlastnosti a mají perspektivní uplatnění jako inteligentní prvky v komponentech pro lékařské aplikace, automobilový, letecký, kosmický a další průmysl. Zaměříme se zejména na studium termomechanických vlastností nově vyvinutých moderních slitin s tvarovou pamětí (vysokoteplotní slitiny, magnetické slitiny atd.) v polykrystalickém stavu a kompozitů v nichž jsou tyto materiály kombinovány s kovovou čí polymerní matricí. Bude rovněž studována struktura nanokrystalických kovových materiálů, včetně přítomnosti mikropnutí a zbytkových deformací, změny mřížkového parametru a struktury hranic zrn, která se v těchto materiálech liší od struktury v klasických polykrystalech. Experimentální výzkum intermetalik obsahujících f-a d- prvky bude zaměřen na studium magnetických vlastností jejich monokrystalů s cílem hlubšího poznání mechanismů vzniku magnetických momentů a jejich vazeb v kovových systémech s různými typy výměnných a anizotropních interakcí. Budou zkoumány jejich elektronové vlastnosti v multiextremálních podmínkách (nízké teploty, silná magnetická pole a vysoký vnější tlak). Na některých tenkovrstvých spinotronických strukturách bude pokračovat studium obří magnetoresistence a magnetoimpedance a ultrarychlé relaxace magnetizace. Výsledky budou konfrontovány se strukturou a chemickým složením vzorků a interpretovány pomocí vlastních vyvíjených teoretických modelů. Budou testovány s využitím klasických elektromagnetických metod i mikrovlnné a relaxační techniky. Vlastnosti materiálů budou upravovány termomechanickými procesy. Ke studiu vybraných supravodičů bude použita vysoce citlivá squidová aparatura pro bezkontaktní měření v extrémně slabých magnetických polích a vyvinuta metodika měření magnetotransportních jevů při vysokých frekvencích, která bude doplněna magneto-optickými experimenty provedenými v zahraničí. Budeme se věnovat studiu proudění kryogenního helia a kvantové turbulenci s důrazem na vyjasnění vzájemného vztahu mezi klasickou a kvantovou turbulencí. V teoretické části záměru je naším cílem ucelený mikroskopický popis elektronových a atomových vlastností systémů s netriviální strukturou, narušenou symetrií, sníženou dimenzí nebo v extrémních podmínkách a to jak ve stavu termodynamické rovnováhy tak i mimo ni. Na jedné straně budeme vycházet z fundamentální teorie elektronových a atomárních procesů popsaných kvalitativně mikroskopickými modely specifických aspektů pevných látek. Na druhé straně usilujeme o aplikace základní teorie ve sféře materiálového výzkumu, který vyžaduje realistické výpočty pro konkrétní systémy. Ke komplexnímu studiu mikroskopických vlastností látek budou tak využívány jednak metody vycházející z rovnovážné a nerovnovážné statistické fyziky, kvantové teorie, formalismu mnohačásticových Greenových funkcí, jednak techniky masivních výpočtů elektronové struktury a numerických simulací. Získané poznatky by měly být základem pro vývoj nových materiálů s požadovanými vlastnostmi pro speciální aplikace a funkčních materiálů, využívajících pro svou činnost charakteristických změn svých vlastností působením vnějších podmínek.