Fazy Heuslera na bazie ziem rzadkich - multifunkcjonalne materiały przyszłości
Typ projektu: NCN MAESTRO 7
Kierownik projektu: prof. hab. dr Dariusz Kaczorowski
Numer projektu: 2015/18/A/ST3/00057
Opis projektu:
Związki na bazie pierwiastków d-elektronowych krystalizujące w strukturze regularnej typu MgAgAs, zwane fazami Heuslera tworzą liczebną klasę materiałów o szerokiej gamie różnorodnych własności fizykochemicznych, które mogą być wykorzystane w licznych zastosowaniach, głównie w obszarach spintroniki i energetyki opartej na źródłach odnawialnych. Od szeregu lat materiały te są intensywnie badane w kontekście takich zagadnień, jak np.: fotowoltaika, gigantyczny magnetoopór, pamięć kształtu, efekt magnetokaloryczny, termoelektryczność, magnetyczne półprzewodniki, semimetale i półmetale silne korelacje elektronowe, magnetyzm, nadprzewodnictwo,. Ze względu na swoją multifunkcjonalność, łatwo modyfikowalną niewielkimi zmianami składu, morfologii lub różnymi parametrami zewnętrznymi, związki te nazywane są niekiedy materiałami o „własnościach na zamówienie”.
W kontraście do zgromadzonej bogatej wiedzy na temat d-elektronowych faz Heuslera, bardzo niewiele wiadomo dotąd o ich odpowiednikach na bazie ziem rzadkich. Pionierskie publikacje w tej dziedzinie powstały dopiero przed kilkoma laty w rezultacie prac eksperymentalnych zrealizowanych w Instytucie Niskich Temperatur i Badań Strukturalnych PAN we Wrocławiu przy współpracy z Instytutem Maxa Plancka Fizyki Chemicznej Ciała Stałego w Dreźnie. Uzyskane wyniki są podstawą dla sformułowania jednej z dwóch podstawowych hipotez badawczych w niniejszym projekcie. Postuluje się, iż fazy Heuslera na bazie ziem rzadkich cechują się unikalnymi własnościami fizykochemicznymi, wysoce użytecznymi dla nowoczesnych rozwiązań technicznych i technologicznych, które stosunkowo łatwo mogą być „przestrajane” za pomocą metod chemicznych lub metalurgicznych w celu optymalizacji ich charakterystyk funkcjonalnych. W oparciu o wyniki własne i przesłanki literaturowe, do kompleksowych badań fizycznych, prowadzonych z wykorzystaniem nowoczesnych technik eksperymentalnych i wspomaganych modelowaniem teoretycznym, wytypowano fazy Heuslera typu RTX, gdzie R jest pierwiastkiem ziemi rzadkiej, T jest delektronowym metalem przejściowym (Ni, Pd, Pt, ...), a X jest pierwiastkiem p-elektronowym z V grupy układu okresowego (Sb, Bi). Spodziewać się należy, iż realizacja projektu istotnie przyczyni się do pogłębienia podstawowej wiedzy na temat zjawisk fizycznych w fazach Heuslera, a wyniki prac zmierzających do optymalizacji multifunkcjonalnych charakterystyk faz RTX (np. termoelektrycznych) staną się inspiracją dla dalszych działań w zakresie inżynierii materiałowej, w kierunku ich wykorzystania w nowoczesnych gałęziach techniki i technologii.
Druga hipoteza badawcza, stanowiąca w istocie rdzeń naukowy niniejszego projektu, przewiduje, iż związki Heuslera na bazie ziem rzadkich są doskonałymi kandydatami na izolatory/semimetale topologiczne, w których obserwowane będą niedawno przewidziane teoretycznie zjawiska, takie jak: topologiczne nadprzewodnictwo, topologiczny antyferromagnetyzm, czy też egzotyczne wzbudzenia fal spinowych topologicznie sprzężonych z polem elektromagnetycznym. Własności te pojawiać się powinny w związkach RTX ze względu na silne sprzężenie spinowo-orbitalne typu Rashby, powodowane brakiem środka inwersji i ciężkich atomów w ich strukturze krystalicznej. Na obecność nietrywialnych stanów topologicznych w fazach RTX wskazują obliczenia struktury elektronowej, potwierdzają je wyniki eksperymentalnych badań własnych oraz pierwsze publikacje z prac doświadczalnych prowadzonych obecnie w najlepszych ośrodkach naukowych na świecie. W ten sposób, multifunkcjonalny charakter związków Heuslera wzbogaca się o dodatkowe, niezwykłe własności elektronowe o naturze topologicznej, którym przypisano już w literaturze potencjał rewolucji technologicznej, a to ze względu na ich zasadnicze znaczenie dla informatyki kwantowej, magnetoelektroniki, czy też dla obszaru odnawialnych źródeł energii. Ze względu na pionierski charakter zagadnień dotyczących tej zupełnie nowej tematyki, prace projektowe będą reagować na doniesienia literaturowe, a ich rzeczywisty przebieg warunkowany będzie osiąganymi rezultatami. W pierwszej fazie, wnioskodawcy planują skupić się na badaniach topologicznego nadprzewodnictwa i topologicznego antyferromagnetyzmu w fazach RPdBi. Wagę naukową uzyskiwanych wyników wyznaczać będą nieznane dotąd emergentne zjawiska wielociałowe, związane ze współistnieniem kilku parametrów porządku w materiałach o nietrywialnej strukturze elektronowej charakterystycznej dla izolatora lub semimetalu topologicznego.
