Tahkiseteooria labor

Labori uurimistöö põhisuund on kondenseeritud aine teooria. Luuakse uusi meetodeid tahkiste numbriliseks modelleerimiseks. Eesmärgiks on kristallide, klaaside, heterostruktuuride ja nanostruktuuride omaduste uurimine ja ennustamine. Uuritakse

  • magnetnähtusi ja kvantostsillatsioone kõrgtemperatuurses ülijuhtivuses;
  • kristallvõre mittelineaarset dünaamikat;
  • võnkesolitone;
  • kristallidefektide moodustumist (tähelepanuga materjalide kiirguskindlusel);
  • grafeeni ja süsiniknanotorude liitstruktuure;
  • singulaarset optikat ning mittelineaarset kvantoptikat.

Teoreetiline materjalifüüsika

Kasutades kaasaegseid arvutusvõimalusi rakendame esmastest printsiipidest lähtuvaid numbrilisi meetodeid modelleerimaks aine struktuuri, kristallvõre dünaamikat ning aatomite (ioonide) vahelisi keemilisi sidemeid. See annab detailset informatsiooni füüsikaliste protsesside kohta tahkistes ning võimaldab ennustada materjalide füüsikalisi omadusi.

Image

Pilt 1. Keemilise disaini tunnused delafosiit-tüüpi ABO2 kristallides.

Viimaste aastate jooksul on enimuuritud materjalideks süsinikupõhised struktuurid, sealhulgas eeskätt grafeen- ja süsiniknanotorud. Koostöös füüsikainstituudi eksperimentaatoritega on välja töötatud mudel, mis paneb paika aatomitasandil grafeeni nanopallide struktuuri. Nimetatud struktuurid on paljulubavad mikrokiipide ehitamiseks grafeeni baasil.

 

Image

Pilt 2. Siksak-tüüpi süsiniknanokristallid ja grafeeni nanopael.

 

Ülijuhtivuse teooria

Koostöös Stuttgarti Ülikooliga õnnestus teoreetiliselt tuvastada, et kõrgtemperatuursete ülijuhtide iseäralik omadus, mida tingivad tugevad elektroonsed korrelatsioonid, on faaside eraldumine nanoskoopilisel tasemel. See omadus leidis eksperimentaalset kinnitust koostöös Nobeli preemia laureaadi ja kõrgtemperatuurse ülijuhtivuse avastaja A. Mülleriga ning R. Kremeriga Max Plancki Instituudist Stuttgartis. Ebatavalist magnetkorrastust õnnestus selgitada numbrilise modelleerimisega.

Meil on pikaajaline kogemus mitmekomponendiliste (paljudel juhtudel kõrgtemperatuursete) ülijuhtide teooria alal, kus on otsustava tähtsusega mitme elektronalamsüsteemi vahel toimivate interaktsioonide arvestamine. Nende ühendite omadustes kajastuv äärmiselt mitmekesine füüsika on olnud järjest kasvava huvi objektiks kogu maailmas. Praeguseks on mitmepiluline ülijuhtivus avastatud sellistes materjalides nagu NbSe2, V3Si, Nb-dopeeritud SrTiO3, rutanaadid, raskete fermionidega süsteemid, MgB2, kupraadid, raudpniktiidid, raudhalkogeniidid jt. Oleme arendanud mitmetsoonilist stsenaariumi kupraatülijuhtide ja magneesiumdiboriidi jaoks. Mitmekomponendilises ülijuhtivuses on meile jätkuvalt aktuaalsed:

  • mesoskoopilises mastaabis asetleidva ruumilise käitumise iseärasused, mis oluliselt erinevad ühekomponendilistes ülijuhtides toimuvast;
  • termodünaamilised omadused ja fluktuatsiooniefektid;
  • vastastikmõju teiste elektromagnetiliste korrastustega.
Image

Pilt 3. Kahetsoonilise ülijuhi vabaenergia kui mitte-tasakaaluliste korrastusparameetrite funktsiooni kontuurgraafik. On näha iseloomulike stabiilsete ja metastabiilsete miinimumide olemasolu.

 

Juhuslikud protsessid

  • Huvi pakuvad stohhastilised efektid faasisiiretes (ferroelektrikutes, ferromagneetikutes jm). Oleme näidanud, et ruumiliselt piiratud süsteemides on faasisiire ja stohhastiline resonants teineteist täiendavateks ilminguteks, mis lähevad ruumala muutumise käigus üksteiseks üle.
  • Pööriste transpordi modelleerimine ülijuhtivates süsteemides, sh 1.5 liiki ülijuhtides, võttes arvesse mürafaktorite olemasolu.
  • Josephsoni kontaktide omaduste stohhastiline modelleerimine nii ühe- kui ka kahekomponendiliste ülijuhtide juhul.

 

Tugevalt korreleeruvate elektronsüsteemide uurimine

Kristallid, mida iseloomustavad tugevad elektronkorrelatsioonid, on kõrgtemperatuursed ülijuhid - vaskperovskiidid ja ferropniktiidid, raskefermionilised ja madalamõõtmelised orgaanilised ühendid. Ebatavaliste omaduste ja tehnoloogilise rakendamise tõttu on need kristallid üheks tsentraalseks uurimisteemaks kaasaja tahkiseteoorias. Laboris on nende uurimiseks arendatud uusi teoreetilisi meetodeid, sealhulgas magnetomaduste teooria p- ja n-tüüpi vaskperovskiitide jaoks ning tugevside diagrammtehnika, mis võimaldas seletada madalaid sagedusi kvantostsillatsioonides, vaadeldud vähedopeeritud vaskperovskiitides.

 

Image

Pilt 4. Kvantostsillatsioonide sageduse muutumine tugeva elektronkorrelatsiooniga kristalli dopeerimisel. Parameeter n/n' on pöördvõrdeline magnetilise induktsiooniga.

Frustreeritud kvaasikahemõõtmelised magneetikud

Huvi frustreeritud magnetühendite vastu on seotud nende rikaste faasidiagrammidega. Äsja sünteesiti selles kristalliklassis uusi ühendeid, mis demonstreerivad huvitavaid omadusi. Nende hulgas on kristall NiGa2S4, milles ioonid spinnidega S=1 moodustavad kvaasikahemõõtmelise kolmnurkse võre. Kasutades Mori projektsioonoperaatorite tehnikat uurisime selle kristalli faasidiagrammi ja magnetergastusi J1-J3 mudelis. Pildil on näidatud magnetergastuse spektri sõltuvus frustreerimisparameetrist p. Leidsime, et faasidiagrammis on alad korrastamata faasiga ning ferromagnetilise ja antiferromagnetilise pikikorrastustega, sealjuures antiferromagnetiline faas saab olla ühismõõduline ja ühismõõdutu. Saadud tulemused lubavad seletada peamisi eksperimentaalseid andmeid NiGa2S4 kristalli kohta.

 

Image

Pilt 5. Magnetergastuse spektri sõltuvus frustreerimisparameetrist p.

 

Võnkesolitonid kristallides

Ruumis lokaliseerunud võnkemoodid võivad esineda/tekkida mitte üksnes defektidega kristallivõredes, vaid ka ideaalsetes mittelineaarsetes võredes. Selliste moodide sagedused on väljaspool foononspektrit, mistõttu nende levik kristalli on takistatud. Oleme uurinud/arvutanud niisuguseid võnkesolitone (bresereid) ja nende eksisteerimise tingimusi ning omadusi erinevat tüüpi ja erineva dimensiooniga võredes. Leidsime, et Ni, Cu ja Fe kristallides moodustuvad ka liikuvad breserid.

 

Image

Pilt 6. Pildil on näidatud liikuv mittelineaarne võnkumine - breser - Cu võres.

 

Efektiivne energiaülekanne metallides

Tahkiste praktilise kasutamise määrab oluliselt nendes toimuv energiaülekanne. Molekulaardünaamika meetoditega on tahkiseteooria laboris uuritud võnkesolitone metallides ning on avastatud, et võnkesolitonid võivad mitmetes metallides üle kanda suurt (toatemperatuuri soojusenergia võnkekvandist sadu kordi suuremat) energiahulka tuhandete aatomitevaheliste kauguste taha. Võrreldava efektiivsusega energiaülekanne oli siiani tuntud ainult dielektrikutes, kus selle mehhanismiks on elektronergastuste levik.

 

Defektide teke kristallides

Kristallivõre defektide tekke uurimiseks arendati laboris meetod, mis võimaldab modelleerida makroskoopilise suurusega kristallide dünaamikat, arvestades kaugmõju. Osutus, et kaugmõju jõud soodustavad oluliselt defektide teket. See tähendab aga, et lülitades need jõud välja - mis on võimalik, kui kasutada piisavalt disperset ainet - võime oluliselt suurendada materjalide radiatsioonilist stabiilsust. Kui see järeldus peaks saama eksperimentaalse kinnituse, tekib võimalus teha edasine samm tuumaenergeetika väga tähtsa probleemi lahendamiseks.

On tehtud tagasipõrkeprotsesside molekulaardünaamika simulatsioonarvutusi röntgeni-kiirguse või neutronitega kiiritatud leelishalogeniidide kristallides. Leiti, et vakantside tekke energialävi varieerub mõnest mõnekümne elektronvoldini olenevalt kristallograafilisest suunast.

 

Multifunktsionaalsed materjalid

Multifunktsionaalsetes süsteemides eksisteerivad ferroelekter, (anti)-ferromagnetism, ferroelastsus, elastsus. Nendes ainetes on tugev vibroonne interaktsioon, mis on samaaegselt nii juhtiv kui stabiliseeriv vastastikmõju faasisiiretes. Laboris on arendatud kvantparaelektrikute ja kvantferroelektrikute (SrTiO3, KTaO3 jt.) semimikroskoopilist teooriat. On uuritud fotoindutseeritud faasisiirdeid, sealhulgas ferroelektrikutes, eriti perovskiitides.

 

Jahn-Telleri efekt ja kooniline potentsiaalipindade lõikumine

Molekulaarsüsteemides esineb sageli olukordi, kus kaks potentsiaalipinda lõikuvad ning moodustub koonusetaolise kujuga potentsiaalilõige. Selliste lõikepunktide ("lehtrite") läheduses tekib elektronolekute ja võnkeolekute tugev segunemine, mistõttu ei saa neid olekuid vaadelda sõltumatutena ja tekib keerukas füüsikaline probleem.

Niisuguse segunemine tõstab oluliselt keemiliste ja fotokeemiliste reaktsioonide kiirust ning kiirguseta ülemineku kiirust ergastatud olekust põhiolekusse. Koonilised potentsiaalilõiked esinevad paljudes olulistes biomolekulides, muuhulgas DNA-s ja omavad olulist rolli nende molekulide biokeemiliste omaduste määramisel. Rakendusliku tähtsuse tõttu on niisugust molekulaardünaamikat palju uuritud, kuid seni on puudunud protsessi täpne füüsikaline kirjeldus. Tahkiseteooria laboris on hiljaaegu välja töötatud rangelt kvantmehaaniline protsessi kirjeldus, mis võimaldab detailselt visualiseerida molekulaarsüsteemi evolutsiooni läbi koonilise potentsiaalilõike.

 

Image

Pilt 7. Vasakul: koonuseline potentsiaalipindade lõikumine Jahn-Telleri efekti puhul. Paremal: lainepaketi relaksatsioon antud potentsiaalil (kujutatud on relaksatsioon potentsiaali ühel poolel).

 

Kvantvedelike heelium-3 ja heelium-4 optilised omadused

Kaasaegse füüsika üheks huviobjektiks on ülimadalal temperatuuril ja rõhu all 3He ja 4He Fermi ja Bose tüüpi kvantvedelikud, mille omadused on unikaalsed. Heeliumvedelike tilku võib uurida spektroskoopiliste meetoditega, dopeerides tilku väikeste molekulidega. Koostöös G. Benedekiga Milano Bicocca Ülikoolist näidati, et heelium-4 tilkade pinnal lõksustunud naatriumi molekuli spektris ilmnevad selle kvantvedeliku pinnavõnkumised ning 4He naaberaatomite kineetiline nullenergia. Fermionvedelikus heelium-3 avastati aga uus elektronergastuste faasirelaksatsiooni mehhanism: heelium-3 tilkades asetseva glüoksaali molekuli optilistes spektrites ilmnevad otseselt Fermi mere pinnaergastused. Seda mehhanismi kasutades on arvutatud glüoksaali molekuliga dopeeritud heelium-3 tilkade optilised spektrid.

 

Image

Pilt 8. Heelium-3 tilkadesse viidud glüoksaali molekuli optilistes spektrites ilmnevad lisaks foononergastustele ka otseselt Fermi mere pinnaergastused

 

Lühikeste koherentsete valgusimpulsside mitmeastmeline neeldumine

Tänu eksperimentaalsete võimaluste suurenemisele uuritakse üha täpsemalt aine ja valgusimpulsside vastastikmõju erinevatel juhtudel. Huvi pakub mitme lühikese valgusimpulsi neeldumine, samuti nendega spektraalsälkamine. Arendame teooriat, mida saab rakendada suvalise pikkusega (alates femtosekundilistest kuni praktiliselt statsionaarsete) valgusimpulsside korral, ka ajavahemik nende impulsside vahel võib olla suvaline – täielikust kattumisest täieliku eraldumiseni. Seda teooriat oleme rakendanud ka spektraalsäkamise jaoks.

 

Ühe molekuli spektroskoopia

Eksperimentaaltulemustest on teada, et samas kristallis ühesuguste lisandimolekulide samale elektronüleminekule vastavad spektrijooned on erineva laiusega. Teiste põhjuste kõrval on selle nähtuse põhjuseks ka põhiaine mitteisotroopsus. Oleme arendanud teooria, mis arvestab ergastatud elektronnivoo radiatsioonilise eluea sõltuvust ülemineku dipoolmomendi (või kvadrupoolmomendi kui dipoolmoment on null) ruumilisest asendist kristallis.

 

Teoreetiline kvantoptika: uus põimitud footonite allikas

Uurime mittelineaarseid kvantoptilisi nähtusi tsentraalsümmeetriata pooljuhtmaterjalides. Samuti tegeleme fotovoltavoolu topoloogiliste omaduste simulatsioonidega hetero- ja nanostruktuurides. Pakkusime välja uut tüüpi põimolekus footonite allika, mis kasutab plasmoonikast tingitud valguse ja aine interaktsiooni tugevdamist. See allikas põhineb kahel efektil: 1) kahefootonilise kiirguse resonantsel võimendumisel olukorras, mil optilise pikkuse ostsilleerumise amplituud võrdub genereeritavate footonite lainepikkusega; 2) metalli ja isolaatori piirpinna plasmonitest tingitud valguse ja aine interaktsiooni tugevnemisel. Uue footonite allika efektiivsuse hinnangud ületavad standardsete allikate efektiivsuse mitme suurusjärgu võrra.

 

Image

Pilt 9. Eksperimendiskeem dünaamilise Casimiri efekti vaatlemiseks metall-dielektrilisel struktuuril (vasakul). Skeem sisaldab metall+dielektrilist struktuuri, mis on paigutatud peeglite vahele. Prisma skeemil on lisatud selleks, et genereeritud pinna plasmon-polaritonid transformeerida kiirguseks. Siin ω0 on laseri footonite sagedus, ω ja ω0-ω - genereeritavate footonite sagedused. Paremal on kiiratud footonite intensiivsuse sõltuvus laservälja tugevusest E0 ∝ ν ning kiirgamisuunast .

 

Vaakumi energia

Tänapäeva füüsika alustala kvantmehaanika järgi on olemas rida erinevaid panuseid vaakumi energiatihedusse. Võrreldamatult suurim nende seas on fundamentaalbosonite nullseisundi kvantfluktuatsioonide panus. Vastav energiatihedus on hiigelsuur - Plancki energia tiheduse 4.63x10113 J/m3suurusjärku, mis ületab ligikaudu 10120 korda vaadeldavat vaakumi energiatihedust. Kõik teised panused vaakumi energiatihedusse on võrreldamatult väiksemad, mis ei võimalda seletada tegelikku väga väikest summaarset väärtust. V. Hižnjakov uuris vaakumi hiiglasliku bosonite nullenergia kompenseerimise võimalust ja näitas, et vajalik kompensatsioon tuleb kvantosakeste gravitatsioonienergiast. Nimelt, kvantosakesed tekitavad Plancki mastaapi negatiivse energiaga fluktuatsioone. Plancki pikkusest väiksematel fluktuatsioonidel domineerib osakeste sisemine tõukumisinteraktsioon. Leitud tõukumisinteraktsiooni parameeter annab Higgsi bosoni massi väärtuseks 123 GeV, mis on heas kooskõlas viimaste mõõtmistega.

 

Koostöö: Max Plancki Tahkiseuuringute Instituut Stuttgartis, Chemnitzi Tehnikaülikool, Brandenburgi Tehnikaülikool, Milano Bicocca Ülikool, Sevilla Ülikool, Harkovi Füüsika ja Tehnoloogia Instituut, Vene FV Teaduste Akadeemia Kirenski nim. Füüsika Instituut.

 

Eesti-sisene koostöö: Teaduse tippkeskus "Mesosüsteemide teooria ja rakendused", Tallinna Tehnikaülikool.

#instituudist
Teadusteemad

Materjalitehnoloogiate töörühm

19.09.2022
#instituudist
Märt Aints 09.08.1944-27.04.2022

In memoriam Märt Aints

07.05.2022
#instituudist

Füüsika instituudi põhikiri

Füüsika instituut on Tartu Ülikooli loodus- ja täppisteaduste valdkonna koosseisu kuuluv instituut, ...
16.03.2022