PhD positions
Open PhD position: Geometrically frustrated magnetic systems
Mentor: prof. dr. Andrej Zorko
Application deadline: May 11th 2023, starting in October 2023
For information on other open PhD positions, feel free to contact any researcher!
Magistrske in diplomske teme za študente
Mentor: doc. dr. Matej Pregelj
Magnetni red v kristalih neodimovih francisitov
Na podlagi meritev nevtronske difrakcije na praškastih vzorcih bomo poskusili določiti magnetno ureditev v osnovnem stanju. Iz izmerjenih difraktogramov bo najprej potrebno preveriti kristalno strukturo vzorcev, nato pa prepoznati magnetne uklonske vrhove, ki se pojavijo pod magnetnim prehodom. Magnetni vrhovi so osnova za simetrijsko analizo, ki omeji nabor možnih magnetnih ureditev v sistemu. Simulirane difrakcijske vzorce slednjih bomo z uporabo programa FullProf primerjali z meritvami in tako prišli do končne rešitve.
Feromagnetna resonanca v tankih magnetnih plasteh
Cilj naloge je določiti magnetno anizotropijo v umetnih magnetnih plasteh z uporabo meritev feromagnetne resonance. Z meritvami absorpcije mikrovalov v zunanjem magnetnem polju (kot pri elektronski paramagnetni resonanci) je iz kotne odvisnosti signala feromagnetne resonance moč določiti smer in jakost magnetne anizotropije. Naloga je izmeriti kotne odvisnosti nekaj različnih vzorcev in modelirati odziv feromagnetne resonance ter tako določiti magnetno anizotropijo vzorcev.
Mentor: izr. prof. dr. Andrej Zorko
Osnovno stanje spinske tekočine NdTa7O19 s perspektive mionske spektroskopije
V spojini neodimov heptatantalat smo nedavno odkrili povsem nov tip stanje spinske tekočine. Gre za magnetno neurejeno, a močno kvantno prepleteno magnetno stanje, kjer so korelacije med spini na trikotni mreži dominantno Isingovega tipa. Statičen magnetni odziv tega stanja bomo proučevali s pomočjo mionske spektroskopije, saj mioni implantirani v vzorec ponujajo izjemno natančno lokalno probo magnetizma. Cilj študije bo določiti karakteristične magnetne lastnosti osnovnega stanja, kot sta prisotnost energijske vrzeli in stopnja prepletenosti, da bi s tem bolje razumeli mehanizem stabilizacije stanja spinske tekočine v tej spojini.
Magnetizem trikotne spinske mreže ErTa7O19 v luči mionske relaksacije in nevtronskega sipanja
Spojino erbijev heptatantalat odlikuje idealna trikotna spinska mreža in je izostrukturna neodimovemu heptatantalatu, v katerem smo nedavno odkrili nenavadno magnetno stanje spinske tekočine z Isingovimi korelacijami. To stanje je tesno povezano z magnetno anizotropijo, ki pa je specifična za posamezen ion redke zemlje. V luči iskanja novih kvantnih stanj snovi, bo cilj študije določiti osnovno magnetno stanje in magnetne vzbuditve erbijevega heptatantalata. V ta namen bomo uporabili komplementarni metodi mionske spektroskopije in nevtronskega sipanja, ki veljata kot ene najprimernejših za proučevanje magnetno koreliranih stanj.
Študija anizotropne spinske mreže kagome z jedrsko magnetno resonanco
Spinska mreža kagome predstavlja geometrijsko najbolj frustrirano spinsko mrežo v dveh dimenzijah. Zato je idealna za realizacijo eksotičnih magnetnih stanj, kot je recimo magnetno neurejeno, a močno kvantno prepleteno stanje spinske tekočine. Obstaja kar nekaj primerov spojin z izotropno Heisenbergovo interakcijo na tej mreži, močno magnetno anizotropne realizacije mreže kagome pa so nadvse redke. Cilj študije bo določiti osnovno stanje in magnetne vzbuditve v povsem novi spojine kagome z močno anizotropno interakcijo Nd3BWO9 s pomočjo jedrske magnetne resonance.
Študija kompleksnih magnetnih in polarnih redov hibridnih organo-anorganskih halometalatov
Multiferoični materiali, v katerih se hkrati pojavljata tako magnetni kot tudi polarni (električni) red, imajo velik potencial na področju spintronike, fotonike in energetike. Cilj študije bo proučevanje kompleksnih redov v plastovitih hibridnih organo-anorganskih halometalatih s pomočjo lokalnih spektroskopskih tehnik elektronske spinske resonance in jedrske magnetne resonance. Posebno pozornost bomo posvetili efektom implantacije funkcionalnih kiralnih in asimetričnih organskih kationov in dopiranja/substitucije posameznih strukturnih ogrodij v teh materialih.
Seminarske teme za študente
Mentor: izr. prof. dr. Andrej Zorko
Mionska spektroskopija
Mionska spektroskopija je nedestruktivna lokalna tehnika s širokim naborom uporabe v fiziki in kemiji trdne snovi. Temelji na magnetni interakciji med kratkoživimi mioni s spinom 1/2 in magnetnim poljem na mestu implantacije mionov v vzorcu ter omogoča izredno natančno detekcijo tako statičnih kot tudi dinamičnih lokalnih polj. Za produkcijo mionskega curka je potreben trkalnik, zato je znanstvene raziskave s to tehniko mogoče opravljati le v peščici velikih raziskovalnih centrov, v Evropi na primer v Švici in v Veliki Britaniji.
A. Hillier et al., Muon spin spectroscopy, Nat. Rev. Methods Primers 2, 4 (2022)
S. J. Blundell et al., Muon spectroscopy – an introduction, Oxford University Press (Oxford, 2022)
Kvantna spinska tekočina
Kvantna spinska tekočina je nenavadno magnetno stanje snovi, v katerem se magnetni momenti oziroma spini atomov v kristalni strukturi orientacijsko ne uredijo niti pri temperaturi absolutne ničle, čeprav je njihova bližnja okolica dobro določena, kar kaže prisotnost korelacij. Podobno kot v primeru superprevodnika ali pa Bose-Einsteinovega kondenzata gre za makroskopsko kvantno prepleteno stanje, torej za realizacijo kvantne mehanike na makroskopskem nivoju. Poleg vidika osnovne znanosti, so kvantne spinske tekočine zanimive tudi s perspektive novih kvantnih tehnologij, na primer kot obetavna platforma v kvantnem računalništvu.
L. Balents, Spin liquids in frustrated magnets, Nature 464, 199 (2010)
T. Imai & Y. S. Lee, Do quantum spin liquids exist?, Physics Today 69, 30 (2016)
C. Broholm et al., Quantum spin liquids, Science 367, eaay0668 (2020)
Spinska fragmentacija
Spinska fragmentacija je presenetljiv pojav v magnetizmu, kjer spinske prostorske stopnje razpadejo na dve komponenti, prvo, ki je neurejena in fluktuira, in drugo, ki se magnetno uredi. Fragmentacija posledično omogoča soobstoj magnetnega reda in persistentnih spinskih fluktuacij. Do pojava pride v tako imenovanih Coulombovih spinskih tekočinah na geometrijsko frustriranih spinskih mrežah, kot sta tridimenzionalna mreža piroklor in dvodimenzionalna mreža kagome.
E. L’Hotel et al., Fragmentation in Frustrated Magnets: A Review, J. Low Temp. Phys. 201, 710 (2020)
Isingov antiferomagnet na trikotni mreži in vzorci lusk kuščarjev
Model Isingovega antiferomagneta je preprost fizikalni model, ki opisuje mrežo interagirajočih objektov, za katere sta možni dve različni stanji. Z njim lahko popišemo široko paleto fizikalnih, kemijskih in bioloških problemov, od magnetnih momentov (spinov) na spinskih mrežah, do številnih naravnih pojavov. Na dvodimenzionalni trikotni mreži v prvem primeru pridemo do zanimivega makroskopsko degeneriranega magnetnega stanja klasične spinske tekočine, na kar je že leta 1950 prvi opozoril švicarski fizik G. H. Wannier. Z istim modelom pa lahko opišemo tudi spreminjanje vzorca barve lusk kuščarja Timon Lepidus, kjer so te črne ali zelene barve, efektivna antiferomagnetna interakcija med njimi pa poskrbi, da so sosednje luske večinoma obarvane različno.
S. Zakany et al., Lizard Skin Patterns and the Ising Model, Phys. Rev. Lett. 128, 048102 (2022)
Mentor: doc. dr. Martin Klanjšek
Magnetni monopoli v spinskem ledu
Seminar se ukvarja z eksperimentalno zaznavo in morebitno manipulacijo magnetnih monopolov v spinskem ledu. Začne se s splošnim opisom magnetnih monopolov in razlogom, zakaj jih enačbe klasične elektrodinamike ne prepovedujejo. Nadaljuje se z zgodovinskim opisom eksperimentalnega iskanja magnetnih monopolov, se pravi z znanim Cabrerovim eksperimentom in neponovljivostjo njegovih rezultatov v kasnejših eksperimentih. Sledi vpeljava družine magnetnih materialov s strukturo podobno vodnemu ledu, zaradi česar imajo skupno ime spinski led, in razlaga, zakaj so osnovne vzbuditve spinskega ledu ravno magnetni monopoli. Seminar se zaključi z opisom eksperimentov, s katerimi so magnetne monopole v spinskem ledu zaznali in do neke mere tudi že manipulirali.
B. Cabrera, Physical Review Letters 48, 1378 (1982)
C. Castelnovo et al., Nature 451, 42 (2008)
C. Castelnovo, Annual Review of Condensed Matter Physics 3, 35 (2012)
R. Moessner et al., Nature Physics 5, 250 (2009)
R. Moessner et al., Physics Today 59, 24 (2006)
L. D. C. Jaubert et al., Nature Physics 5, 258 (2009)
Anyoni v modelu Kitaeva
Seminar se ukvarja z vrsto delcev, ki niso niti fermioni (kakršni so denimo elektroni) niti bozoni (kakršni so denimo kvanti svetlobe fotoni), pač pa nekaj vmes. Ker so potemtakem karkoli, v angleščini »any«, jim je Nobelov nagrajenec Franck Wilczek nadel ime anyoni. Seminar se začne z razlago, zakaj so takšni delci mogoči le v dveh dimenzijah. Nadaljuje z njihovimi zanimivimi, celo eksotičnimi lastnostmi, ki so povezane s topologijo, se pravi področjem, ki proučuje vozle in podobne tvorbe. Glavni del seminarja je predstavitev preprostega spinskega modela Kitaeva na šestkotni mreži (oziroma mreži satovja), katerega osnovno stanje je kvantna spinska tekočina, osnovne vzbuditve iz tega stanja pa so ravno anyoni. Seminar se zaključi z opisom nedavnih eksperimentov, ki so zaznali tovrstne anyone.
F. Wilczek, Quanta Magazine, 28. 2. 2017
P. Ball, Nature Materials 16, 706 (2017)
A. Kitaev, Annals of Physics 321, 2 (2006)
S. Trebst, Physics Reports 950, 1 (2022)
N. Perkins, Nature Physics 13, 1041 (2017)
S. H. Do et al., Nature Physics 13, 1079 (2017)
Mentor: doc. dr. Matej Pregelj
Nevtronsko sipanje
Nevtronsko sipanje predstavlja širok sklop eksperimentalnih tehnik, ki so nepogrešljive v kristalografiji, fiziki, fizikalni kemiji, biofiziki, raziskavah materialov itn. Ideja seminarja je predstaviti osnovne lastnosti nevronov, kako le-ti interagirajo s snovjo, kaj lahko preučujemo z njihovim sipanjem in, končno, kako se tovrstne raziskave razlikujejo/dopolnjujejo z drugimi eksperimentalnimi tehnikami.
Brückel et al., Laboratory Course on Neutron Scattering, Forschungszentrum Jülich (2012)
Magnetoelektrični multiferoiki
Multiferoiki so materiali, kjer soobstajata vsaj dva različna tipa ureditve, npr. električna polarizacija in magnetizacija. V posebnih primerih pride v teh sistemih do močne sklopitve med obema parametroma reda, kar je zelo zanimivo za aplikativno uporabo, po drugi strani pa razumevanje take sklopitve zahteva podrobne fizikalne raziskave. Ideja seminarja je predstaviti različne tipe multiferrikov, razložiti možne sklopitve v teh materialih ter predstaviti možno uporabo le-teh.
N. A. Spaldin and R. Ramesh, Advances in magnetoelectric multiferroics, Nature Materials 18, 203 (2019)
Oblike domen in njihovi vzorci
V naravi lahko opazimo izjemno zanimive vzorce, ki so pogosto posledica zelo enostavnih pravil, npr. feromagnetne interakcije kratkega dosega in antiferomagnetne interakcije dolgega dosega v feromagnetnih filmih. Koncept nasprotujočih si interakcij pa lahko razširimo tudi na druga področja. Ideja seminarja je predstaviti osnovni fenomenološki opis teh pojavov in ga razširiti na realne sisteme.
M. Seul and D. Andelman, Domain Shapes and Patterns: The Phenomenology of Modulated Phases, Science 267, 476 (1995)
Mentor: dr. Matjaž Gomilšek
Skirmioni in topologija v magnetizmu
Skirmioni so nenavadne ureditve magnetnih momentov (spinov) atomov v kristalih, ki spominjajo na majhne vrtince magnetizacije in ki so iz topoloških razlogov presenetljivo stabilni. Kot taki se skirmioni obnašajo kot dolgoživi efektivni delci, ki jih lahko že preko razmeroma šibkih zunanjih vplivov električnega in magnetnega polja zlahka premikamo, ustvarjamo in anihiliramo. To jih naredi presenetljivo uporabne za tehnološke aplikacije prihodnosti, od nizko-energijske hrambe in obdelave podatkov v spintroniki (alternativi elektroniki, temelječi na magnetizmu), zmogljivih mikrovalovnih izvirov in detektorjev, generatorjev naključnih števil, ter uporabe sistemov skirmionov kot naravnih platform za rezervoarno računanje (novo paradigmo umetne inteligence, ki presega omejitve običajnih nevronskih mrež). V seminarju si bomo ogledali fizikalno ozadje skirmionov in povezanih topoloških struktur, vključno z antiskirmioni, biskirmioni, hopfioni in drugimi.
K. Everschor-Sitte et al., Perspective: Magnetic skyrmions—Overview of recent progress in an active research field, Journal of Applied Physics 124, 240901 (2018)
T. Lancaster, Skyrmions in magnetic materials, Contemporary Physics 60, 246 (2019)
Naključne gruče, fraktali in teorija perkolacije
S teorijo perkolacije opišemo pogosto fizikalno situacijo z osnovnimi gradniki (mesti ali povezavami), ki so z neko verjetnostjo zasedena ali ne, pri čemer nas zanima, kako se začnejo naključno zasedeni gradniki spontano povezovati v vedno večje strukture, ko verjetnost zasedenosti posameznega gradnika povečujemo. Pri določeni mejni vrednosti zasedenosti takšni sistemi doživijo oster fazni prehod (tako imenovan perkolacijski prehod), ko se v njih prvič pojavijo neskončno velike gruče povezanih gradnikov, tipično v obliki fraktala. Kot prototipni primer faznega prehoda je perkolacijski prehod zanimiv s fundamentalnega stališča, ima pa tudi mnogo primerov praktične uporabe, od modeliranja širjenja okužb in novic v družbi, tvorbe krvnih žil v telesu in oblike obal, do magnetnih lastnosti in električne prevodnosti materialov z neredom. V seminarju si bomo ogledali teoretično ozadje in nekaj primerov praktične uporabe teorije perkolacije.
K. Christensen, Percolation Theory (2002)
A. A. Saberi, Recent advances in percolation theory and its applications, Physics Reports 578, 1 (2015)
Teorija gostotnih funkcionalov (DFT) in elektronska struktura snovi
Teorija gostotnih funkcionalov (ang. density functional theory, DFT) predstavlja izjemno zmogljiv in popularen ab initio opis kvantnega obnašanja večjega števila elektronov v snovi. Temelji na presenetljivem eksaktnem prepisu Schrödingerjeve enačbe za valovno funkcijo N elektronov v osnovnem stanju (ki je kompleksna funkcija 3N spremenljivk) na nadomestno — a teoretično povsem ekvivalentno — enačbo zgolj za gostoto naboja elektronov (realna funkcija 3 spremenljivk). To omogoči praktične izračune lastnosti materialov, od njihove strukture, vibracijskih, elektronskih in magnetnih lastnosti, ki bi bili sicer povsem nedosegljivi, tudi z najbolj zmogljivimi superračunalniki. Razlog, da je tak prepis sploh možen, brez da bi zanemarili kvantne pojave elektronov, tiči v neločljivosti elektronov kot kvantnih delcev. V seminarji si bomo ogledali nekaj teoretičnega ozadja in primerov praktične uporabe izračunov DFT za opis obnašanja snovi.
G. R. Schleder et al., From DFT to machine learning: recent approaches to materials science – a review, Journal of Physics: Materials 2, 032001 (2019)
K. Capelle, A Bird’s-Eye View of Density-Functional Theory, Brazilian Journal of Physics 36, 1318 (2006)
R. M. Martin, Electronic Structure – Basic Theory and Practical Methods, Cambridge University Press (2012)