Tematyka badań


Nowoczesne metody obliczeniowe, wychodzące od podstawowych praw natury (ab initio), takich jak prawa mechaniki kwantowej i fizyki statystycznej, umożliwiają badania teoretyczne elektronowych, strukturalnych i dynamicznych właściwości materiałów. Badania ilościowe z pierwszych zasad pozwalają nie tylko lepiej zrozumieć fundamentalne problemy fizyki ciała stałego, często wiążące się ze skomplikowanymi relacjami pomiędzy właściwościami elektronowymi i strukturalnymi, ale również projektować nowe materiały funkcjonalne oraz elementy elektroniczne. Działalność naszego zespołu skupia się na obliczeniach własności materii skondensowanej dla szerokiej gamy materiałów, w tym kryształów, nanostruktur oraz powierzchni i systemów nieuporządkowanych. Główne obszary naszych badań obejmują: podstawowe strukturalne, elektronowe i fononowe właściwości kryształów, przejścia fazowe, interakcje pomiędzy elektronami a fononami, fonony w wielowarstwach i na powierzchniach, termodynamiczne i elastyczne właściwości minerałów, dynamikę sieci w systemach silnie skorelowanych, nadprzewodniki, kryształy molekularne, pamięć kształtu i stopy nieuporządkowane.

Fonony. Dynamika sieci decyduje o właściwościach termodynamicznych kryształów i odgrywa podstawową rolę w takich zjawiskach jak nadprzewodnictwo czy strukturalne przejścia fazowe. Widma fononowe można badać przy pomocy metody bezpośredniej, która została zastosowana w programie Phonon, stworzonym przez prof. Krzysztofa Parlinskiego. Metoda ta opiera się na obliczeniu międzyatomowych sił w superkomórce z periodycznymi warunkami brzegowymi. Siły te wyznacza się w oparciu o teorię funkcjonału gęstości, przy użyciu takich programów jak VASP, Wien2k lub SIESTA. Metodę bezpośrednią można stosować do obliczania krzywych dyspersji i fononowej gęstości stanów w kryształach, wielowarstwach i na powierzchniach.

Przejścia fazowe. Strukturalne przejścia w kryształach często wywoływane są miękkimi modami drgań sieci, które pojawiają się w wyniku zmian warunków zewnętrznych (np. ciśnienie lub temperatura). Takie mody fononowe o urojonej częstotliwości drgań mogą być zastosowane do analizy mechanizmu przejścia fazowego i pozwalają przewidzieć stabilną strukturę o niskiej symetrii. Metoda bezpośrednia została wykorzystana w badaniach przejść fazowych indukowanych miękkimi modami drgań dla licznych związków (np. ZrO2, SnO2, CaTiO3). Strukturalne przejścia pierwszego rodzaju oraz związek między ciśnieniem i temperaturą w diagramie fazowym, mogą być badane w przybliżeniu quasi-harmonicznym (MgSiO3). W systemach o silnym sprzężeniu elektronów z siecią,  przejście strukturalne często wywołuje zmiany struktury elektronowej lub porządku magnetycznego. Dwa przykłady takich zjawisk to przejście  Verwey'a w magnetycie (Fe3O4) oraz magneto-strukturalne przejście w MnAs.
 
Struktura Ziemi. Skały tworzące skorupę i płaszcz Ziemi zbudowane są głównie z różnorodnych form tlenków magnezowo-krzemowych. Minerały te oraz ich fizyczna charakterystyka, która determinuje podstawowe termodynamiczne i mechaniczne właściwości wnętrza Ziemi, są zazwyczaj niedostępne dla pomiarów bezpośrednich, a wiedza o ich własnościach pochodzi z badań sejsmicznych i symulacji teoretycznych. Zakład Komputerowych Badań Materiałów prowadzi intensywnie badania strukturalnych, elastycznych i termodynamicznych właściwości minerałów (np. Mg2SiO4, Fe2SiO4). W ostatnich latach uczestniczyliśmy w europejskim projekcie geofizycznym "Crust to Core (c2c)-the fate of subducted material".

Wielowarstwy, cienkie warstwy, i powierzchnie. W systemach o mniejszej wymiarowości, interakcje atomowe i struktura krystaliczna są w znacznym stopniu zmodyfikowane, co ma istotny wpływ na ich właściwości dynamiczne. Ze względu na geometryczne ograniczenia, standardowe techniki eksperymentalne, takie jak nieelastyczne rozpraszanie neutronów i promieni X, nie mogą być bezpośrednio stosowane do badań fononów w takich systemach. Dzięki metodzie bezpośredniej ab initio można obliczyć krzywe dyspersji fononów oraz gęstość stanów w wielowarstwach (FePt, Fe/FeSi), monowarstwach (Fe/W, FeO/Pt) i powierzchniach (MgO, Fe, EuSi2). Współpraca z Europejskim Ośrodkiem Promieniowania Synchrotronowego (ESRF) w Grenoble, pozwoliła na weryfikację uzyskanych przez nas teoretycznych wyników, przy użyciu nieelastycznego rozpraszania jądrowego.

Silne korelacje. W silnie skorelowanych materiałach, takich jak tlenki metali przejściowych lub systemy z elektronami f, lokalne oddziaływania między elektronami radykalnie modyfikują strukturę elektronową poprzez np.  przejście metal-izolator. Zmiany te wpływają także na dynamikę sieci, prowadząc do nowych efektów nie obserwowanych w zwykłych metalach. Ze względu na silne lokalne oddziaływania między elektronami, standardowa teoria funkcjonału gęstości nie opisuje poprawnie struktury elektronowej i prowadzi często do znacznych rozbieżności pomiędzy danymi eksperymentalnymi i obliczeniami teoretycznymi w zakresie struktury krystalicznej i energii fononów. Dzięki uwzględnieniu oddziaływania Hubbarda w podejściu LDA+ U, obliczyliśmy widma fononowe dla wybranych układów skorelowanych, uzyskując o wiele lepszą zgodność z danymi doświadczalnymi (PuCoGa5, Fe3O4, FeO).