Interdyscyplinarne Środowiskowe Studia Doktoranckie "Fizyczne, Chemiczne i Biofizyczne Podstawy Nowoczesnych Technologii i Inżynierii Materiałowej " (FCB) – Sylwia Gutowska
Tytuł projektu
Interdyscyplinarne Środowiskowe Studia Doktoranckie "Fizyczne, Chemiczne i Biofizyczne Podstawy Nowoczesnych Technologii i Inżynierii Materiałowej " (FCB) – Sylwia Gutowska
Nazwa Beneficjenta/Beneficjentów
Wydział Fizyki i Informatyki Stosowanej, Akademia Górniczo-Hutnicza, Kraków
Nazwa programu
Program Operacyjny Wiedza Edukacja Rozwój
Konkurs
Interdyscyplinarne Programy Studiów Doktoranckich - Interdyscyplinarne Środowiskowe Studia Doktoranckie "Fizyczne, Chemiczne i Biofizyczne Podstawy Nowoczesnych Technologii i Inżynierii Materiałowej" (FCB)
Wartość projektu
10123883 zł na 75 beneficjentów
Wartość dofinansowania
134895 zł na jednego doktoranta
Okres realizacji projektu
od 1.09.2017 r. do 31.08.2022 r. (przedłużony do 31.10.2023)
Poznaj nasz zespół
Zobacz efekt naszej pracy
W pracy skupiłam się na teoretycznych badaniach nadprzewodników, czyli materiałów, które poniżej pewnej temperatury krytycznej wykazują zerowy opór elektryczny oraz idealny diamagnetyzm (czyli wypychanie pola magnetycznego). Dzięki tym własnościom nadprzewodniki są idealnym kandydatem do zastosowań w przemyśle oraz codziennym życiu. Niestety temperatura krytyczna większości nadprzewodników jest bardzo niska, co wiąże się z koniecznością kosztochłonnego chłodzenia tych materiałów. W związku z tym głównym celem tej dziedziny fizyki jest znalezienie materiału, który będzie nadprzewodził w temperaturach pokojowych. Moje badania skupiały się na analizie czynników mających wpływ na temperaturę krytyczną nadprzewodników.
Badania przeprowadzałam za pomocą metod obliczeniowych ab initio (z zasad pierwszych), które pozwalają obliczyć kwantowe własności materiałów na podstawie niewielu informacji na temat ich struktury krystalicznej. Na tej podstawie można wyznaczyć praktyczne właściwości, takie jak przewodnictwo elektryczne czy optyczne, czy też własności nadprzewodzące.
Plakaty prezentowane na konferencjach:
Plakat 1. „Materials and Mechanisms of Superconductivity”, Vancouver, Kanada w 2022 roku,
Plakat 2. ”Psi-k Conference”, Lozanna, Szwajcaria w 2022 roku.
Jaki problem rozwiązuje nasz projekt?
W pracy zajmowałam się czterema grupami materiałów. Wśród nich znajdowały się materiały krystaliczne takie jak: związek najcięższego i najlżejszego stabilnego metalu LiBi, fazy Lavesa SrIr2 i SrRh oraz związek o silnych korelacjach elektronowych CeIr3, ale także stop Pb-Bi popularnie używany jako lut nadprzewodzący. Wszystkie badane materiały łączy fakt, że źródłem ich nadprzewodnictwa jest oddziaływanie elektronów z fononami (czyli drganiami sieci krystalicznej) oraz że zawierają ciężkie pierwiastki, co oznacza, że efekty relatywistyczne, w tym oddziaływanie spinowego momentu magnetycznego z orbitalnym (tzw. oddziaływanie spin-orbita), znacznie wpływa na własności materiałów. Podstawowym pytaniem było, jaki jest wpływ oddziaływania spin-orbita na oddziaływanie elektron-fonon i w konsekwencji na nadprzewodnictwo. Moje badania podsumowałam wnioskiem, że w przypadku materiałów, w których przeważają pierwiastki z bloku p układu okresowego, oddziaływanie spin-orbita polepsza własności nadprzewodzące. Dzieje się tak, ponieważ efekt ten prowadzi do zmniejszenia zasięgu funkcji falowej, co zmniejsza siłę oddziaływania atomów w krysztale, prowadząc do mniejszej częstości ich drgań. Z kolei w przypadku pierwiastków z bloku d, oddziaływanie spin-orbita pogarsza własności nadprzewodzące, ponieważ w ich przypadku funkcja falowa ekspanduje.
Ponadto stawiałam inne pytania badawcze, takie jak wpływ struktury krystalicznej na własności nadprzewodzące - czy to w postaci dystorsji strukturalnej jak w przypadku LiBi, czy to modyfikacji struktury, jak w porównaniu irydu do SrIr2, czy wreszcie przejścia strukturalnego, jak to ma miejsce w stopie Pb-Bi.
Wnioski te mogą być przydatne w poszukiwaniu nowych materiałów o lepszych własnościach nadprzewodzących.
Co ważne, równolegle do moich badań trwały prace eksperymentalne, w trakcie których omawiane materiały tworzono i badano (zdarzało mi się uczestniczyć w tych eksperymentach). Dzięki temu obliczenia były weryfikowane, co utwierdza nas w słuszności naszej analizy.
Kto skorzysta z wyników projektu?
Moja praca jest z zakresu badań podstawowych, które skupiają się na wyjaśnieniu podstawowych zjawisk fizycznych i własności materiałów. Zrozumienie zjawisk zachodzących w materiale nadprzewodzącym pozwoli w przyszłości projektować nowe, lepsze materiały nadprzewodzące.
W pracy skupiałam się na nadprzewodnikach, czyli materiałach o idealnym diamagnetyzmie i zerowym oporze elektrycznym. Nadprzewodniki znajdują zastosowania w wielu dziedzinach życia, czy to w elektromagnesach stosowanych w przemyśle i medycynie, czy to w przewodnikach z prądem. Problemem jest jednak wciąż fakt, że takie własności pojawiają się w materiałach w bardzo niskich temperaturach, co wymaga ekstremalnego chłodzenia.
Moje wnioski na temat wpływu struktury krystalicznej oraz obecności ciężkich pierwiastków na nadprzewodnictwo mogą stać się drogowskazami przy projektowaniu materiałów o lepszych własnościach nadprzewodzących.
Co było dla nas największym wyzwaniem w realizacji projektu?
W badaniach teoretycznych jednym z większych wyzwań jest dostęp do odpowiednich zasobów obliczeniowych, które umożliwiają zrównoleglenie obliczeń (tzn. prowadzenie ich na wielu procesorach jednocześnie). W moim przypadku uzyskałam w tym zakresie wsparcie z grantu NCN, w którym uczestniczyłam oraz z infrastruktury PL GRID, czyli sieci superkomputerów w Polsce. Przy tych zasobach niektóre obliczenia trwały miesiąc, więc w praktyce ich wykonanie na komputerze osobistym nie byłoby możliwe.
Kolejnym wyzwaniem jest dostęp do zaawansowanej wiedzy, zwłaszcza, gdy jest ona na tyle specjalistyczna, że nie powstają książki na jej temat. Największym wsparciem były szkolenia organizowane w różnych rejonach świata, w których mogłam uczestniczyć m.in. dzięki środkom z projektu FCB.