Odsjek za istraživanje materijala u ekstremnim uvjetima

Nova znanstveno-istraživačka oprema nabavljena projektom KaCIF omogućit će transformaciju postojećih laboratorija Instituta za fiziku, koji se bave eksperimentalnim istraživanjima u području fizike kondenzirane materije, u moderni centar za istraživanje materijala opremljen vrhunskom opremom najviših mjeriteljskih standarda. Centar će uključivati četiri laboratorija specijaliziranih za karakterizaciju i sveobuhvatno istraživanje specifičnih fizikalnih svojstava širokog spektra materijala:

• Laboratorij za istraživanje magnetskih svojstava
• Laboratorij za istraživanje transportnih i termodinamičkih svojstava
• Laboratorij za ekstremno niske temperature i velika magnetska polja
• Laboratorij za visoke tlakove

Laboratorij za istraživanje magnetskih svojstava

Laboratorij će biti u potpunosti opremljen za detaljnu i cjelokupnu magnetsku karakterijzaciju različitih materijala koja je nužna za fundamentalna i primijenjena istraživanja. U ovaj laboratorij smjestit će se nova istraživačka oprema: magnetometar visoke rezolucije sa SQUID detektorom, koji omogućuje mjerenje magnetskog momenta, ac magnetske susceptibilnosti i magnetske anizotropije u temperaturnom rasponu 0.5-1000 K, magnetskom polju do 7 T i tlaku do 10 GPa, te magnetometar s vibrirajućim uzorkom. Postojeća istraživačka oprema za istraživanje magnetskih svojstava materije uključuje Cryobind uređaj za precizno mjerenje magnetske ac susceptibilnosti (temperaturni raspon 1.5-800 K), sustav za precizno mjerenje ac susceptibilnosti u primijenjenom magnetskom polju do 9 T i električnom polju te tlaku do 2.7 GPa, postav za mjerenje magnetske anizotropije (1.5-300 K, do 5 T) i postav za mjerenje dc magnetizacije (Faradayeva vaga).

Tijekom provedbe projekta KaCIF i u razdoblju nakon provedbe planira se proširiti opseg postojećih te otvoriti nove pravce istraživanja. Tako se očekuje nastavak istraživanja magnetskih nanočestica po narudžbi farmaceutske industrije te nastavak istraživanja novih generacija Fe-Cr i ODS čelika s primjenom u nuklearnoj fuziji i četvrtoj generaciji fizijskih reaktora i proširenje postojeće suradnje s Eurofusion Consortiumom i EERA-om. Ostale teme istraživanja uključuju nekonvencionalne magnetske sustave, kvantne spinske tekućine, magnetoelektrike i multiferoike, supravodiče itd.

Laboratorij za istraživanje transportnih i termodinamičkih svojstava

Laboratorij će biti opremljen suvremenim opremom koja omogućuje brzu karakterizaciju uzoraka u poljima do 16 T. Nova oprema nudi mogućnost brze izmjene uzoraka, kao i mjerenje više uzorka istovremeno, te relativno jednostavne pripreme mjerenja koja su dostupna u širokom intervalu temperatura i magnetskih polja. Na taj način se omogućavaju jednostavna, brza i relativno točna eksplorativna mjerenja, a specijalizirani se postavi oslobađanju za zahtjevnije eksperimente. Time će se povećati znanstvena produktivnost u odnosu na dosadašnju strukturu laboratorija na Institutu za fiziku te otvoriti i šira mogućnost suradnje sa znanstvenim, no isto tako i ekonomskim sektorom. Ovaj svestrani laboratorij opremljen je za istraživanje širokog raspona materijala od konvencionalnih metala, polumetala, metala, supravodiča, band-izolatora, preko egzotičnih magnetoelektrika sa spontanom ili induciranom polarizacijom, stakala, multiferoika, do nanouređaja, tankih filmova i heterogenih struktura.

Nova istraživačka oprema ovog laboratorija je Sustav za mjerenje fizikalnih svojstava (dc i ac električni otpor, toplinska vodljivost, termostruja, toplinski kapacitet) u poljima do 16 T, temperaturnom rasponu 1.5 – 400 K i pod tlakovima do 20 Gpa. Laboratorij će koristiti i postojeća istraživačka oprema: postavi za dielektričnu spektroskopiju s opcijom magnetskog polja (~0.1pF, ~TOhm, 0.1 Hz – 10 MHz, 2-300K, 5T), postav za mjerenje pirostruje, postav za dc i pulsnu nelinearnu vodljivost, postav za mjerenje magnetootpora i Hallovog efekta (2-300K, 5T), postav za mjerenje termostruje i toplinske vodljivosti (1.5–300 K, 8T), postav za mjerenje nelinearne električne vodljivosti (10–350 K), postav za mjerenje toplinskog kapaciteta (1.5–300 K, 8T).

Laboratorij za ekstremno niske temperature i velika magnetska polja

Laboratorij će omogućiti mjerenja na temperaturama za dva reda veličine nižim od dosadašnjih (10-20 mK prema 1.5 K) u dvostruko višim magnetskim poljima (20T prema 10T). Ova mjerenja omogućit će nova istraživačka oprema: dilucijski hladnjak sa supravodljivim 20 T magnetom, eksperimentalni umeci (umetak za opću namjenu s različitim opcijama ožičenja, umetak za mjerenje na visokim frekvencijama, umetak s rotatorom, vakuumski nosač za testiranje u tekućem heliju), VTI umetak za mjerenja u visokim magnetskim poljima izvan dilucijskog hladnjaka. Postojeće mjerne metode prilagodit će se mjerenjima u dilucijskom hladnjaku, a one uključuju: kutno ovisni magnetootpor, Hall vodljivost, električni transport, toplinski transport, termostruju, toplinski kapacitet, dielektričnu spektroskopiju, pirostruju,magnetsku susceptibilnost. Mjerenja električne vodljivosti, termostruje i magnetske susceptibilnosti koja su prilagođena i mjerenjima pod tlakom će se također moći izvoditi i u dilucijskim kriostatu.

U ovom laboratoriju proučavat će se nova osnovna stanja i pobuđenja u teškim fermionima, kompleksnim metalima (kvazikristali, kompleksne slitine, metalna stakla), niskodimenzionalnim organskim i anorganskim vodičima, niskodimenzionalnim magnetima, grafenu i drugim 2D materijalima, te multiferoičnim i magnetoelektričnim sustavima. Niske temperature i jako magnetsko polje omogućit će proučavanje Fermijeve površine mjerenjem kvantnih oscilacija u otporu (Shubnikov–de Haas efekt), magnetskoj susceptibilnosti (de Haas–van Alphen efekt), toplinskom kapacitetu, proučavanje novih oblika Hall efekta (kvantni, spinski, anomalni), kao i magnetskim poljem induciranu električnu polarizaciju.

Laboratorij za visoke tlakove

Laboratorij će biti opremljen ćelijama za postizanje hidrostatskog i uniaksijalnog tlaka koje će biti kompatibilne s opremom i tehnikama dostupnim u ostalim gore navedenim laboratorijima, tako da će nuditi dodatnu os u faznim dijagramima proučavanih sustava i time upotpunjavati njihov rad.

Nova istraživačka oprema ovog laboratorija sadrži: ćelije za uniaksijalni tlak bazirane na piezo kristalima (s maksimalnim hodom od 6-17 μm), klipne ćelije za tlak kompatibilne s PPMS-om (do 3 GPa) i sustavom sa SQUID magnetometrom (do 1.3 GPa) te dijamantne ćelije za tlak također kompatibilne s PPMS-om (do 20 GPa) i sustavom sa SQUID magnetometrom (do 10 GPa). Sve navedene ćelije bit će moguće koristiti i u kombinaciji s dilucijskim hladnjakom koji omogućava postizanje temperatura do dva reda veličine nižih od do sada dostupnih, te u visokim magnetskim poljima. Laboratorij će koristiti i postojeću istraživačku opremu: klipna ćelija za hidrostatski tlak (do 2.7 GPa), dijamantna ćelija (do 10 GPa), laboratorijska preša, optički sustav za mjerenje fluorescentne linije rubina, sustav za bušenje elektroerozijom.

Sustavi koji će se proučavati u laboratoriju tijekom kao i nakon provedbe projekta uključuju kompleksne metalne slitine, slojevite materijale iz porodice dihalkogenida prijelaznih metala, visokotemperaturne supravodiče, materijale s topološkim stanjima kao i ostale egzotične materijale za koje se pojavi interes znanstvene zajednice.