Magneto-Optická a THz Spektroskopie - Petr Neugebauer
Vysoké učení technické v Brně Vysoké učení technické v…
Magneto-Optická a THz Spektroskopie - Petr Neugebauer

Vedení

Ing. Petr Neugebauer, Ph.D. Ing. Petr Neugebauer, Ph.D.
Vedoucí výzkumné skupiny

Výzkumné oblasti

 

Magneto-optická a THz spektroskopie

Cílem výzkumné skupiny vedené Petrem Neugebauerem je založit první moderní skupinu zaměřenou na THz magneto-optickou spektroskopii ve střední Evropě se zaměřením na vývoj metody a na aplikace v materiálových a živých vědách. Experimentální možnosti na vzorcích biomolekul, koordinačních komplexů s kovovým centrem až po materiály magnetických a pevných látek, ve velmi širokém spektrální rozsahu od GHz frekvencí po UV-VIS frekvence, za nízkých teplot (1.8 K – 320 K) a vysokých magnetických polí (16 T), činí skupinu velmi zajímavou pro mnoho vědců z celého světa. Ve frekvenčním rozsahu od 100 do 1000 GHz plánujeme navrhnout a vyvinout první širokopásmý THz spektrometr (elektronové spinové resonance), který je schopný zachytit dynamiku spinů (podpořeno projekty Horizon 2020 Excellent Science, ERC Starting Grant, 714850 THz-FRaScan-ESR, THz Frequency Rapid Scan Electron Spin Resonance, s rozpočtem 2 milionů Eur), stejně tak vyvinout unikátní mikroskopii založenou na elektronové spinové resonanci (podpořeno Horizon 2020 nové myšlenky pro nové technologie, FET-Open, 767227 PETER, Plasmon Enhanced Terahertz Electron Paramagnetic Resonance, s rozpočtem 2.9 milionů Eur). Skupina podporuje filozofii instituce CEITEC – otevřeného přístupu do jejích infrastruktur. Vyplníme mezeru a pokryjeme vědní odvětví, které není ve střední Evropě rozvinuto. Výhodu vidíme ve městě Brně, jakožto inovativního centra zahrnujícího pokročilé průmyslové technologie společně s mnoha odděleními a fakultami z obou předních univerzit (Vysoké učení technické v Brně – VUT a Masarykova Univerzita – MU), jako například Fakulta strojního inženýrství, Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií, Přírodovědecká fakulta MU, Národní NMR centrum Josefa Dadoka. S mnohými z těchto oddělení máme z uplynulých let již existující spolupráci a některé spolupráce byly podpořeny grantem na cestování z DAAD-MŠMT projektu. Skupina je navíc silně zapojena do vzdělávání studentů bakalářských a magisterských programů, ze kterých tvoří vzdělané a motivované lidi s mezinárodní pracovní zkušeností pro brněnský region.


Výzkumné zaměření

Vývoj THz spektroskopie

Cílem našeho projektu je založit a vyvinut univerzální širokopásmý spektrometr elektronové paramagnetické resonance založené na snímání pomocí rychle se měnící THz frekvence (THz – FRaScan-EPR). Tento přístroj umožní vícefrekvenční studie relaxací různých vzorků od objemových (krystalických) materiálů, přes práškové vzorky, až po vzorky citlivé na vzduch v roztocích. Pracovní frekvence se bude pohybovat od 80 GHz do 1100 GHz, při teplotách od 1.8 K do 320 K a magnetickém poli až 16 T. Přístroj bude také schopný provádět měření v nulovém magnetickém poli. Kompletně nový koncept detekce založený na snímání pomocí rychle se měnící THz frekvence dovolí dosud neprobádaný výzkum relaxací při THz frekvencích. Dosažené výsledky budou stimulovat vývoj nových materiálů a zobrazování pomocí magnetické rezonance v nemocnicích využívající dynamickou nukleární polarizaci.

 

Vysokofrekvenční rychlé snímání

Zesílení poměru signálu ke šumu (SNR) v EPR/NMR spektroskopii je bezpochyby největší výzvou a historicky byl vývoj techniky rychlého snímání (RS) spjat s tímto problémem hlavně v NMR. RS EPR/NMR spektroskopie je technika využívající kontinuální vlnu, kde excitační frekvence nebo vnější magnetické pole je měněno kontinuálně, ale při velmi velké rychlosti, která musí být rovna nebo větší než rychlost relaxace systému spin-spin. V tomto případě může spinový system přijmout mnohem vyšší excitační energii bez viditelné saturace než v běžném experiment s pomalou změnou. Problémem této metody je silné zkreslení signálu ve formě specifických oscilací, takzvaného “vrtění” (viz Obr. 1). Naštěstí bylo ukázáno, že spektrum pořízené při pomalé změně bez jakéhokoliv zkreslení může být rekonstruováno pomocí speciální numerické úpravy – “dekonvoluce RS spektra”.  Další zdroj zlepšení SNR je výrazné zkrácení doby měření jednoho snímání, které v důsledku výrazně zvyšuje efektivitu průměrování. Následně bylo demonstrováno, že RS spektrum může být simulováno pomocí modifikovaného systému Blochových rovnic. Toto umožňuje získání relaxačních časů T1 a T2 z RS experimentálních dat.

Fig.1 Simulated RS spectrum

S vývojem výkonných mikrovlnných zdrojů se zájem vědců posunul do oblasti pulsních metod v EPR/NMR, díky širokým možnostem získávání dat. Naše vědecká skupina se však zaměřuje především na zlepšení parametrů limitujících stávající EPR spektroskopii, a to sice zvýšením frekvencí do THz rozsahu. Bohužel, dnešní stav mikrovlnných zdrojů na těchto frekvencích, především co se maximálního výstupního výkonu týče, nedovoluje implementovat pulsní techniku v širokém pásmu frekvencí. Tudíž, RS EPR spektroskopie je jediná možná technika pro výzkum spinové dynamiky při THz frekvencích. V tomto projektu budeme vyvíjet a implementovat techniku rychlého rozmítání frekvence do našeho vysokofrekvenčního spektrometru založeném na elektronové paramagnetické rezonanci ve vysokém magnetickém poli pro výzkum procesů relaxace spinů v širokém rozsahu nových materiálů, jako například molekulární nanomagnety, grafen, polarizační činidla pro dynamickou nukleární polarizace.

 

Fyzika pevných látek a moderní materiály

Studium jevů jako kvantový spinový-Hallový efekt, přeměny kov-izolant, přenos náboje a spinu, magnetická anizotropie, oscilace spinových vln (magnonů), kvantové a termodynamické fázové přeměny, jsou základem pro porozumění a charakterizaci moderních materiálů s aplikacemi v širokém poli působnosti, jako například skladování a přeměna energie (baterie a solární články) a kvantové počítání (uchování a přenos dat).

Zaměřujeme se na výzkum zmíněných jevů z fyziky pevných látek pomocí vysokofrekvenční elektronové paramagnetické resonance, která je robustní technikou umožňující přístup k charakterizaci, na mikroskopických rozměrech, elektronické struktury, krystalové symmetrie a spinové dynamiky. Její vysoká citlivost pro měření relaxačních časů spinů ji činí vhodnou pro široké použití ve výzkumu, od detekce zapletených stavů v kvantových bitech, po přesnou detekci mobilitu nosičů náboje v nízkodimenzionálních materiálech jako jsou grafen, dichalkogenidy přechodných kovů a jejich vrstvené deriváty. Mimo jiné tato technika poskytuje vysoké spektrální rozlišení pro přesné určení rozšířeného štěpení v GHz – THz rozsahu mezi energiovými hladinami spinových systémů, což umožní určení magnetické anizotropie a ostatní magnetické interakce v molekulárních magnetech a spinových svazcích. Magnonové módy pozorované ve slitině železa a yttria, manganitů, perovskitů nebo multiferroicích leží právě v THz oblasti. Proto bude také náš výzkum zaměřen na detekci a kontrolu magneto-optických vlastností v těchto materiálech.

 

Hybridní materiály a spintronika

Hlavním cílem tohoto tématu je spojit takzvané dvoudimenzionální materiály, jako například grafen a dichalkogenidy přechodných kovů s unikátními fyzikálními a chemickými vlastnostmi, s jednomolekulárními magnety pro nanostrukturalizaci vytvořením prototypu a konceptů pro aplikace v rozvíjející se oblasti spinové elektroniky (spintroniky). Pro vytvoření takového zařízení je nezbytně nutné být schopen kontrolovat celou cestu materiálu, z objemového materiálu s většinou známými magnetickými vlastnostmi, směrem k nanostrukturalizaci na hybridní materiály, tenké filmy a sendvičové struktury s větším aplikačním potenciálem, než jejich objemové protějšky. Proto je důraz kladen na životaschopnost, proveditelnost a škálovatelnost zvolených přípravných metod, stejně tak jako následného zpracování a charakterizace každého jednotlivého kroku a formy, především pomocí nově postaveného vysokofrekvenčního spektrometru založeném na elektronové spinové resonanci s rapidně se měnící THz frekvencí ve vysokém magnetickém poli. Následný výzkum zahrnuje mechanismus reakce mezi hybridními materiály (dvoudimenzionální materiály a jednomolekulové magnety) a fabrikaci spintronických zařízení pro zjištění potenciálních aplikací hybridních materiálů ve spintronice.

Koordinační chemie

Chemický výzkum skupiny magneto-optické a THz spektroskopie je zaměřen na syntézu a charakterizaci magneticky bistabilních koordinačních sloučenin, které vykazují a) pomalou relaxaci magnetizace čistě molekulárního původů, takzvané jednomolekulární magnety; b) křížení spinových stavů.

Jednomolekulární magnety reprezentují zajímavou skupinu materiálů, ve kterých se každá molekula chová jako molekulární nanomagnet schopný uchovávat binárně kódovanou informaci. Proto jsou tyto materiály studovány jako kandidáti pro konstrukci magnetických pamětí s vysokou hustotou zápisu.

Komplexy přechodných kovů v 3d4 – 3d7 konfiguraci valenčního obalu mohou vykazovat spinovou přeměnu po vnějším vybuzením jako je změna teploty a tlaku nebo světelným ozářením. Tento jev je nazýván spinové křížení a je často doprovázen dramatickou změnou barvy, která nese potenciál pro praktické aplikace v zobrazovacích zařízeních. Extrémně vysoká citlivost těchto molekul vůči okolnímu prostředí je činí slibnými kandidáty na přípravu molekulárních přepínačů a senzorů.

 

 


Novinky

Všechny novinky