Oddział zajmuje się badaniem (zarówno doświadczalnym, jak i teoretycznym) zjawisk zachodzących w układach silnie skorelowanych elektronów, czyli takich, w których elektrony ze zlokalizowanych powłok f silnie oddziałują z elektronami z pasma przewodnictwa. W praktyce są to związki chemiczne, w których co najmniej jeden ze składników jest pierwiastkiem posiadającym częściowo zapełnioną powłokę elektronową f, czyli lantanowcem lub aktynowcem. W Zakładzie Badań Magnetycznych badane są przede wszystkim związki oparte na cerze, iterbie i uranie. Związki oparte na innych lantanowcach i aktynowcach są również badane, jednak stanowią zdecydowaną mniejszość w licznych projektach badawczych realizowanych przez Zakład.

Kierownikiem Oddziału jest prof. dr hab. Piotr Wiśniewski.

Tematyka badawcza:

• Niekonwencjonalne nadprzewodnictwo i kwantowe zjawiska krytyczne w układach ciężkofermionowych.
• Topologicznie nietrywialne stany elektronowe w semimetalach i półprzewodnikach z wąską przerwą energetyczną.
• Dualizm elektronów 5f w związkach międzymetalicznych uranu.
• Kwantowe zjawiska wielociałowe w wypełnionych skutterudytach arsenowych.
• Wpływ interferencji kwantowej na własności transportowe międzymetalicznych związków d- i f-elektronowych z dużym nieporządkiem strukturalnym.
• Przemiany powierzchni Fermiego typu Lifshitza w układach z silnie skorelowanymi elektronami o strukturze klatkowej.
• Anomalne własności termodynamiczne i transportowe metalicznych układów z silnymi korelacjami elektronowymi, determinowane efekta- mi hybrydyzacji stanów zlokalizowanych z pasmem przewodnictwa.
• Orbitalny efekt Kondo wynikający ze strukturalnych układów dwupo- ziomowych.
• Teoretyczny opis wpływu otwartopowłokowych elektronów zlokalizowanych na właściwości spektroskopowe, cieplne, magnetyczne i transportowe ciał stałych.
• Wpływ wodorowania na własności magnetyczne i magnetyczne przejścia fazowe w czystych metalach ziem rzadkich i ich związkachz metalami przejściowymi.
• Materiały i technologie dla zaawansowanych systemów magazynowania i konwersji energii.

Bezpośrednią konsekwencją częściowego zapełnienia powłoki f jest możliwość występowania zlokalizowanych momentów magnetycznych w badanych związkach oraz ich spontanicznego uporządkowania w pewnej (zazwyczaj bardzo niskiej) temperaturze. Oddziaływaniom prowadzącym do uporządkowania towarzyszą jednak również oddziaływania, które owo uporządkowanie niszczą. Konkurencja tych dwóch procesów skutkuje występowaniem całej gamy słabo zbadanych zjawisk fizycznych, takich jak: formowanie się superciężkich kwazicząstek (tzw. ciężkich fermionów), niekonwencjonalne nadprzewodnictwo, czy też zachowanie typu nie-Landauowskiej cieczy fermionów. Dokładnego opisu tych zjawisk próżno jak dotąd szukać w podręcznikach akademickich i ich opis stanowi jedno z głównych wyzwań współczesnej fizyki ciała stałego.

Pełniejszy opis tematyki badawczej grupy zajmującej sie badaniami magnetycznymi: więcej...

Oddział specjalizuje się także w eksperymentalnych i teoretycznych badaniach zjawisk transportu elektronowego występujących w monokryształach związków lantanowców i aktynowców. Spośród związków lantanowców naszą uwagę przykuwają te z nich, w których efekt Kondo, rozszczepienie stanów 4f w polu krystalicznym jak też uporządkowanie kwadrupolowe i magnetyczne mają widoczny wpływ na własności transportu elektronowego. Przedmiotem zainteresowania są zarówno regularne związki LaMe₃ jak też wypełnione skutterudyty arsenowe - LaT₄As₁₂ (La - lantanowiec; Me - Sn, Pb, In, Ga; T - Fe, Ru, Os). Wypełnione lantanowcem skutterudyty arsenowe zostały w naszej grupie otrzymane w postaci monokryształów po raz pierwszy w świecie. Te skutterudyty arsenowe, podobnie jak wcześniej badane przez innych autorów wypełnione skutterudyty fosforowe i antymonowe (tzw. "grzechotki termoelektryczne"), wykazują wielkie bogactwo własności fizycznych będących siłą napędową rozwoju fizyki i techniki. Badanie związków aktynowcowych doprowadziło nas do wykrycia istnienia:

a) niemagnetycznego efektu Kondo defektów strukturalnych w kryształach zarówno diamagnetycznych pniktochalkogenidków toru jak i ferromagnetycznych pniktochalkogenidków uranu,

b) ferromagnetycznego półprzewodnika (Th_xU_1-x)₃As₄ o potencjalnie interesujących własnościach spintronowych.

Jako jeden z nielicznych w Polsce, Oddział od wielu lat specjalizuje się w badaniach NMR jąder pierwiastków s,p- i d-elektronowych w stopach i związkach międzymetalicznych. Należą do nich niezwykle ważne z punktu widzenia ich praktycznych zastosowań wodorki i borki metali przejściowych oraz związki międzymetaliczne tych pierwiastków z udziałem ziem rzadkich i uranu wykazujące wielkie bogactwo własności fizycznych; od charakteru półprzewodzącego po uporządkowanie magnetyczne, kwadrupolowe, czy własności ciężkofermionowe. Wykazaliśmy ostatnio, że zastosowanie techniki szybkich obrotów pod kątem magicznym (MAS) w rezonansie „ciężkich” jąder ¹¹⁹Sn i ¹⁹⁵Pt pozwala na uzyskanie multipletowej struktury widm rezonansowych w związkach TiPtSn i ZrPtSn, a tym samym detekcję oddziaływania skalarnego i kowalencyjnego charakteru wiązań chemicznych w tych połączeniach. Z kolei badania z użyciem „lekkiego” jądra ¹¹B w szeregu borków: YB₄, YB₆, YB₁₂, ZrB₁₂, LuB₁₂ pozwoliły określić wielkość składowych tensora gradientu pola elektrycznego (GPE) w pozycji atomów boru. Wielkości te pozwoliły na „sprawdzenie” obliczeń teoretycznych struktury elektronowej, z których także określono tensor GPE dla tych związków.

Kolejną specjalizacją są prace nad wodorkami metali:

1. Syntezy nisko- i wysokociśnieniowe nowych faz wodorkowych.
2. Badania wpływu wodoru na własności strukturalne i magnetyczne złożonych związków międzymetalicznych ziem rzadkich z d-metalami.
3. Badania własności absorpcji wodoru przez stopy Mg-Ni syntezowane metodą mechnical milling.
4. Charakterystyka układów wodorkowych metodą badania izoterm ciśnienia równowagowego w funkcji koncentracji wodoru.
5. Badania własności termodynamicznych faz potrójnych węglików d-metali typu MAX metodą kalorymetrii niskotemperaturowej.

Reprezentatywne publikacje 2005-2015:

• R. Troć, Z. Gajek, and A. Pikul: Dualism of the 5f Electrons of the Ferromagnetic Superconductor UGe₂ as Seen in Magnetic, Transport, and Specific-Heat Data. Phys. Rev. B 86 (2012) 224403 (14).
• T. Cichorek, A.Sanchez, P. Gegenwart, F. Weickert, A. Wojakowski, Z. Henkie, G. Auffermann, S. Paschen, R. Kniep, and F. Steglich: Two- Channel Kondo E ect in Glasslike ThAsSe. Phys. Rev. Lett . 94 (2005) 236603 (4).
• V.H. Tran, W. Miiller, and Z. Bukowski: Observation of Spin-Gap in the Normal State of Superconductor Mo₃Sb₇. Phys. Rev. Lett. 100 (2008) 137004 (4).
• O. Pavlosiuk, D. Kaczorowski, and P. Wiśniewski: Shubnikov–de Haas Oscillations, Weak Antilocalization Effect and Large Linear Magnetoresistance in the Putative Topological Superconductor LuPdBi. Sci. Rep. 5 (2015) #9158 (9).
• D. Kaczorowski, A.P. Pikul, D. Gnida, and V.H. Tran: Emergence of a Superconducting State from an Antiferromagnetic Phase in Single Crystals of the Heavy-Fermion Compound Ce₂PdIn₈. Phys. Rev. Lett. 103 (2009) 027003 (4).
• B. Nowak, O. Pavlosiuk, and D. Kaczorowski: Band Inversion in Topologically Nontrivial Half-Heusler Bismuthides: ²⁰⁹Bi NMR Study. J. Phys. Chem. C 119 (2015) 2770−2774.
• H. Drulis, A. Hackemer, P. Głuchowski, K. Giza, L. Adamczyk, and H. Bala: Gas Phase Hydrogen Absorption and Electrochemical Performance of La₂(Ni,Co,Mg,M) Based Alloys. Int. J. Hydrogen Energy 39 (2014) 2423−2429.
• M. Szlawska, D. Gnida, and D. Kaczorowski: Magnetic and Electrical Transport Behavior in the Crystallographically Disordered Compound U₂CoSi₃. Phys. Rev. B 84 (2011) 134410 (8).
• R.E. Baumbach, P.C. Ho, T.A. Sayles, M.B. Maple, R. Wawryk, T. Cichorek, A. Pietraszko, and Z. Henkie: The Filled Skutterudite CeOs₄As₁₂ : A Hybridization Gap Semiconductor. Proc. Nat. Acad. Sci. USA 105 (2008) 17307−17311.
• P. Swatek, M. Daszkiewicz, and D. Kaczorowski: Paramagnetic Heavy-Fermion Ground State in Single-Crystalline UIr₂Zn₂₀. Phys. Rev. B 85 (2012) 094426 (8).

Aparatura:

Syntezy materiałów badanych w formie wyskiej jakości monokryształów, polikryształów i proszków:

1. komory rękawicowe firmy MBraun z ultra-czystym argonem, z precyzyjnie monitorowaną resztkową zawartością tlenu i pary wodnej (< 0.1 ppm),
2. piec indukcyjny fimy Hünger, sprzężony z pirometrem i programowalnym regulatorem temperatury służący do stapiania metali w precyzyjnie kontrolowanej temperaturze,
3. analizator termiczny Jupiter 3 firmy Netzsch z termowagą i piecem wolframowym do jednoczesnej różnicowej analizy termicznej (DTA) i termograwimetrycznej (TGA) –20°C do 2400°C,
4. piec czterołukowy rmy GES Corp. do hodowli monokryształów metodą Czochralskiego,
5. stanowisko do hodowli monokryształów metodą Bridgemana,
6. piec grafitowy do hodowli monokryształów metodą mineralizacji w temperaturach do 2400°C,
7. komory ciśnieniowe do otrzymywania monokryształów pod ciśnieniem do 60 atm i w temperaturach do 900°C,
8. nisko- i wysokociśnieniowe komory do syntez faz wodorkowych pod ciśnieniem gazowego wodoru do 50 atm i w temperaturze do 400°C) oraz do wyznaczania charakterystyk równowagowych ciśnienienie−temperatura−skład i podstawowych funkcji termodynamicznych układu metal−wodór.

Pomiary własności fizycznych:

• magnetometr SQUIDowy firmy Quantum Design, z rotatorami horyzontalnym i wertykalnym, służący do precyzyjnego określania namagnesowania i podatności magnetycznej próbek mono- i polikrystalicznych, cienkowarstwowych i proszkowych w zakresie temperatur 1.7-800 K i pól magnetycznych 0-5.5 T
• platforma pomiarowa PPMS firmy Quantum Design, wyposażona w chłodziarkę z ³He, służąca do pomiarów pojemności cieplnej, oporu elektrycznego, współczynnika Halla, prądu krytycznego w nadprzewodnikach, oraz do zdejmowania charakterystyk prądowo napięciowych półprzewodników, w zakresie temperatur 0.33–400 K oraz pól magnetycznych 0-9 T
• kilka stanowisk do pomiaru własności transportowych (oporu elektrycznego, termosiły i przewodnictwa cieplnego) w zakresie temperatur 1.5-300 K i pól magnetycznych 0-8 T.

Badania teoretyczne:

• pakiet komercyjnego oprogramowania do numerycznego wyznaczania struktury elektronowej metodami DFT
• pakiety oprogramowania do numerycznego wyznaczania struktur elektronowych metodami „ab initio”, opracowane we własnym zakresie

Transport elektronowy:

• Instalacje własnej konstrukcji pozwalające badać opór elektryczny, magnetoopór, efekt Halla, i siłę termoelektryczną w temperaturach od 4.2 K do 300 K i w polach do 1 T z możliwością precyzyjnej zmiany kierunku pola w trakcie pomiarów.
• Kompresor gazowy firmy Unipress wraz z komorami do badań oporu elektrycznego, magnetooporu i efektu Halla pod ciśnieniem hydrostatycznym do 1 GPa i w polach do 1 T.
• Komora cieczowa japońskiej produkcji do badań pod ciśnieniem do 3 GPa.
• Chłodziarka na He³ z kriostatem do badań współczynników transportowych w temperaturach od 0.4 K do 300 K i w polach do 7 T.
• Urządzenia do otrzymywania kryształów: Malvern Czochralski crystal grown system, iInstalacje własnej konstrukcji do otrzymywania monokryształów metodami fluksu i transportu chemicznego pod ciśnieniem otoczenia i w temperaturach do 1100^oC.
• Komory ciśnieniowe do otrzymywania monokryształów pod ciśnieniem do 60 atm i w temperaturach do 900^oC.

Ponadto pod opieką Oddziału znajdują się:

• Międzyzakładowe Laboratorium Niskich Temperatur posiadające dwie chłodziarki rozcieńczalnikowe
• Komora manipulacyjna do pracy w atmosferze beztlenowej firmy MBRAUN typu labmaster 130.

Magnetyczny rezonans jądrowy:

• Spektrometr impulsowy Avance DSX 300 firmy Bruker (Niemcy) współpracujący z magnesem nadprzewodzącym o indukcji magnetycznej 7 T . W skład wyposażenia wchodzą sondy pomiarowe pozwalające na detekcji sygnału jąder od ¹⁰⁹Ag do ³¹P w zakresie temperatur 150 – 400 K, sonda CP MAS dla jąder ¹⁷O do ³¹P na zakres temperatur 170 – 400 K; maksymalna częstotliwość obrotów 12 kHz, średnica probówki 4 mm; sonda dla ¹H w zakresie temperatur 4 – 300 K, sonda dla jąder ¹⁷O do³¹P na zakres temperatur 4.2 – 300 K . Spektrometr jest dedykowany do pomiarów ciała stałego.
• Stanowisko do pomiarów ciepła właściwego w zakresie temperatur : 2.6 – 70 K z możliwością pomiarów w polu magnetycznym w zakresie 1 – 7 T . Próbki lite: mono- i polikrystaliczne.

Wodorki metali:

• Niskociśnieniowa aparatura do syntez faz wodorkowych.
• Możliwość syntezy faz wodorkowych pod ciśnieniem wodoru gazowego p < 1 atm w temperaturach do 900^oC. Masa próbki m > 100 mg.
• Wysokociśnieniowa aparatura do syntez i charakteryzacji zależności pTc faz wodorkowych.
• Możliwości syntezowania faz wodorkowych pod ciśnieniem gazowego wodoru do p < 50 atm w temperaturach do 400^oC. Masa próbki 1g < m < 5 g. Aparatura umożliwia rejestrację charakterystyk równowagowych ciśnienie-temperatura-skład dla określenia diagramu fazowego i podstawowych funkcji termodynamicznych układu metal-wodór.
• Pracownia spektrometrii Elektronowego Rezonansu Paramagnetycznego - pasmo X ( 9.5 GHz).
• Możliwości pomiarowe: rejestracja widm EPR wszystkich, rezonansowo aktywnych obiektów paramagnetycznych w zakresie temperatur od 4.3 K do 300 K.
• Pracownia spektrometrii efektu Mössbauera. Możliwości pomiarowe: rejestracja i analiza widm Mössbauera jąder rezonansowych ⁵⁷Fe i ¹¹⁹Sn w zakresie temperatur 15 K < T < 1000 K. Aktualnie brak źródła i pracownika obsługi.
• Pracownia Niskotemperaturowej Kalorymetrii. Skomputeryzowane stanowisko do adiabatycznych pomiarów ciepła właściwego ciał stałych. Możliwości badań: stanowisko badawcze służy do pomiarów ciepła właściwego próbek litych i proszkowych ciał stałych w zakresie temperatur od 3K do 270 K. Pomiar sterowany komputerem. Objętość czynna próbki około 0.7 cm³. Czas trwania pomiaru około 7 dni. Aktualnie brak pracownika obsługi.

Pracownicy: