Magnetizam i magnetska svojstva novih materijala

Eksperimentalna istraživanja u području magnetizma i magnetskih materijala čvrsto su utemeljena na Institutu za fiziku, a provode se u nekoliko laboratorija koristeći više različitih eksperimentalnih tehnika. Dosadašnja istraživanja imala su dvostruki karakter: fundamentalna istraživanja magnetskih pojava i interakcija u materijalima te komercijalna istraživanja po narudžbi farmaceutske industrije. Dodatan iskorak prema primijenjenim istraživanjima učinjen je početkom 2015. godine kada se laboratorij za ac susceptibilnost uključio u Workpackage Materials pri Eurofusion Consortium-u primjenom magnetizma na istraživanje novih generacija Fe-Cr i ODS čelika s primjenom u nuklearnoj fuziji i četvrtoj generaciji fizijskih reaktora. Doprinos laboratorija za ac susceptibilnost istraživanjima koja se provode u JPNM (Joint Programme for Nuclear Materials), jednom od programa EERA (European Energy Research Alliance) predstavljaju temelj za dugoročnu integraciju s europskim istraživačkim prostorom u strateškim područjima energetike (napose nuklearne fuzije).

Istraživanje magnetskih fenomena obuhvaća širok spektar novih materijala s potencijalnom primjenom kao što su multiferoici i magnetoelektrici, skirmionski sustavi, kvantne spinske tekućine, nekonvencionalna magnetska uređenja, magnetske nanočestice, supravodiči itd.

Nekonvencionalni magneti spadaju u novu skupinu materijala koji se nazivaju multiferoici, a u kojima postoji istovremeno dugodosežno uređenje magnetskih i električnih dipola. Jako vezanje između magnetskih i električnih stupnjeva slobode u magnetoelektricima omogućava kontrolu magnetizacije električnim poljem te kontrolu električne polarizacije magnetskim poljem, zbog čega će ovakvi materijali zasigurno postati dio ključnih novih tehnologija u području magnetskih senzora i memorija.

Magnetske nanočestice dugogodišnji su predmet istraživanja na Institutu za fiziku zbog njihove velike potencijalne primjene u informatičkoj industriji (zapisivanje podataka, kvantna računala) i biomedicini (ciljana dostava lijekova, uništavanje tumorskog tkiva zagrijavanjem, povećanje MRI kontrasta itd.). Svojstva nanometarskih magnetskih materijala bitno su drugačija u odnosu na masivne uzorke istih materijala te se tako na niskim temperaturama opaža ukočivanje magnetskog momenta i spora relaksacija magnetizacije skupa nanometarskih jednodomenskih čestica, dok se sustav na visokim temperaturama ponaša superparamagnetski. Sa stajališta primjene sustava magnetskih nanočestica iznimno je važno razumjeti fenomene koji određuju njihova svojstva te odrediti prijelaz između blokiranog i superparamagnetskog režima kao i moguće kolektivne efekte. 

Niska dimenzionalnost promatranog sustava ili postojanje frustracija mogu proizvesti jako korelirano, ali neuređeno magnetsko stanje – tzv. stanje kvantne spinske tekućine.Ovakvo stanje javlja se zahvaljujući kvantnim efektima u sustavima s jakim korelacijama među spinovima npr. u jednodimenzionalnim Heisenbergovim antiferomagnetima. Fundamentalno razumijevanje stanja kvantne spinske tekućine nije vezano samo uz egzotične magnetske sustave, već je velikim dijelom motivirano željom za razumijevanjem mehanizma visokotemperaturne supravodljivosti.

Institut za fiziku u posljednje vrijeme bilježi snažan rast istraživanja utjecaja nereda na sustave u kojima su efekti dugodosežnih korelacija isprepleteni s utjecajem nereda. Interes za navedenim sustavima je teorijske i eksperimentalne prirode, a postoji i mogućnost njegove primjene u naprednim tehnologijama budući da procesi zapinjanja, koji su prisutni u takvim materijalima, direktno utječu na brzinu i disipaciju energije u elektroničkim uređajima. Ključni istraživački potencijal nalazi se u ujedinjavanju teorijskih i eksperimentalnih metoda razmatranja ovakvih sustava. Dodatna se sposobnost ističe od strane jedinstvene ekspertize grupe za acsusceptibilnost koja je razvila instrumentaciju koja omogućuje ac magnetska mjerenja u ekstremno niskim vanjskim poljima, što je jedan od preduvjeta za mjerenje efekata dugodosežnih korelacija. Eksperimentalna istraživanja fokusirana su na promatranje međuigre dva fizikalno zanimljiva efekta: termodinamičkog faznog prijelaza i relaksacijske dinamike domenskih zidova prilikom procesa zapinjanja u danom metalnom staklu. Očekuje se direktno opažanje kritičnih eksponenata prijelaza zapinjanja u magnetskom sustavu te stjecanje boljeg razumijevanja ove pojave. Eksperimentalna istraživanja nadovezuju se na teorijska istraživanja modela „nasumične mnogostrukosti” koja se trenutno provode uz pomoć sofisticiranih teorijskih metoda neperturbativne renormalizacijske grupe.