Dla studentów

Temat 1: Topologiczne izolatory jako nowe inteligentne materiały do zastosowania w spintronice: pomiary własności transportowych wybranych faz Heuslera.

Temat 2:  Kwantowy transport elektronowy w ferromagnetycznych stopach wysokiej entropii

Kontakt: tel. 71 395 4 246, email:  

Opis tematu 1: 

Spintornika jest dziedziną, która wykorzystuje spin elektronów oprócz ich ładunku, odblokowując nowe sposoby kontrolowania i manipulowania informacjami w nanoskali. Jednym z najbardziej obiecujących nowych kierunków w spintronice są urządzenia wykorzystujące moment spinowo-orbitalny (SOT). Bazują one na interakcji między spinem elektronu a jego ruchem - zjawisku znanym jako sprzężenie spin-orbita (SOC) - do manipulowania namagnesowaniem bez potrzeby stosowania zewnętrznych pól magnetycznych. Szczególnie atrakcyjne z tego punktu widzenia są heterostruktury łączące izolatory topologiczne (TIs) i materiały ferromagnetyczne (FM). Izolatory topologiczne posiadają bowiem topologicznie chronione stany powierzchniowe, w których spiny elektronów są sprzężone z ich pędem, co umożliwia wysoce efektywną konwersję ładunku na spin. Wśród szeroko badanych układów topologicznych w materii skondensowanej, tak zwane fazy pół-Heuslera (HH) wyróżniają się jako obiecujące alternatywy dla dobrze znanych stopów Bi-Sb, Bi-Se i Bi-Te w kontekście urządzeń SOT.

Badania w tym zakresie prowadzone są w Oddziale Badań Magnetyków przy współpracy z grupą prof. YongChang Lau z Pekinu z Chińskiej Akademii Nauk. Kluczowym wyzwaniem naukowym w ramach prowadzonych badań  jest wyjaśnienie zależności między topologicznymi stanami powierzchniowymi a wkładem objętościowym w przewodnictwie elektronowym. Skupimy się na kilku wybranych układach HH. Materiałem badawczym będą próbki w postaci monokryształów oraz cienkich warstw wytworzonych techniką ablacji laserowej oraz/lub napylania magnetronowego. Badania będę dotyczyć głownie pomiarów magneto-transportowych (opór elektryczny, magneto-opór, efekt Halla) w zakresie temperatur 0.05 – 300 K oraz polach magnetycznych 0 – 14 T. Posłużą one jako bezpośrednie narzędzie do zbadania siły sprzężenia spin-orbita, ale również pozwolą na dostarczenie cennych informacji na temat mechanizmów rozpraszania elektronów oraz efektów interferencji kwantowej zachodzących zarówno w kanale przewodnictwa powierzchniowego i objętościowego.

Opis tematu 2:

Stopy wysokiej entropii (High Entropy Alloys, HEA) stanowią nową klasę materiałów charakteryzujących się wysokim stopniem nieporządku atomowego wynikającym z obecności wielu pierwiastków o porównywalnych udziałach stężeniowych. W ostatnich latach wzbudzają one duże zainteresowanie badawcze ze względu na swoje wyjątkowe właściwości mechaniczne, magnetyczne i elektronowe. Szczególną uwagę poświęca się zarówno nadprzewodzącym, jak i ferromagnetycznym stopom wysokiej entropii. Co więcej, najnowsze badania wskazują, że w niektórych materiałach tego typu możliwe jest współwystępowanie nadprzewodnictwa i efektów magnetycznych. Przykładem jest stop NbTaTiZrFe, w którym zaobserwowano nadprzewodnictwo współistniejące z silną polaryzacją spinową oraz ferromagnetyczną odpowiedzią magnetyczną.

Ze względu na wysoki poziom nieporządku strukturalnego stopy wysokiej entropii stanowią również interesujące obiekty badań z punktu widzenia fizyki transportu elektronowego. W wielu przypadkach obserwowane są anomalie oporu elektrycznego, które nie mogą być wyjaśnione w ramach klasycznego opisu transportu w metalach. Zjawiska te wiązane są z kwantową interferencją fal elektronowych oraz oddziaływaniami elektron–elektron, których znaczenie wzrasta wraz ze stopniem nieuporządkowania materiału. W nieuporządkowanych przewodnikach elektrony poruszają się bowiem ruchem dyfuzyjnym, a ich falowa natura prowadzi do pojawienia się dodatkowych wkładów do przewodnictwa elektrycznego. Najważniejsze z nich związane są ze zjawiskiem słabej lokalizacji (Weak Localization, WL), słabej antylokalizacji (Weak Antilocalization, WAL) oraz oddziaływaniami elektron–elektron (Electron–Electron Interaction, EEI). Analiza tych efektów pozwala uzyskać informacje o mechanizmach rozpraszania elektronów, koherencji fazowej oraz sprzężeniu spin–orbita.

Celem proponowanej pracy magisterskiej jest zbadanie kwantowych efektów transportowych w wybranych ferromagnetycznych stopach wysokiej entropii na bazie żelaza (FeCoNiAlCr, AlNiCo-5 oraz NbTaTiZrFe), zarówno w postaci próbek objętościowych, jak i cienkich warstw. Próbki objętościowe zostaną wytworzone metodą topienia łukowego, natomiast cienkie warstwy będą osadzane techniką ablacji laserowej (PLD – Pulsed Laser Deposition).

Dla otrzymanych materiałów przeprowadzone zostaną pomiary oporu elektrycznego, magnetorezystancji oraz efektu Halla w szerokim zakresie temperatur (0,05–300 K) i pól magnetycznych (do 14 T). Na podstawie uzyskanych wyników wyznaczone zostaną charakterystyczne parametry transportowe oraz określona zostanie rola nieporządku strukturalnego w kształtowaniu własności elektronowych badanych materiałów.

Otrzymane wyniki zostaną przeanalizowane w oparciu o współczesne modele kwantowego transportu elektronowego w nieuporządkowanych układach metalicznych. Pozwoli to na identyfikację mechanizmów odpowiedzialnych za obserwowane anomalie transportowe oraz ocenę wpływu efektów słabej lokalizacji, antylokalizacji i oddziaływań elektron–elektron na własności transportowe stopów wysokiej entropii.