Fundamentalne własności układów silnie skorelowanych: niekonwencjonalne nadprzewodnictwo, kwantowe zachowanie krytyczne i złożona struktura elektronowa

Fizyka materii skondensowanej stanowi laboratorium badawcze dla całej fizyki w zakresie stanów skondensowanych materii kwantowej złożonej z bardzo wielu oddziałujących ze sobą cząstek materialnych: elektronów, neutronów, atomów czy też cząstek fundamentalnych, jak to ma miejsce w plaźmie kwarkowo-gluonowej. Takie niekonwencjonalne stany skondensowane powstają w układach, w których wzajemne oddziaływanie pomiędzy cząstkami stanowi dominujący czynnik ich zachowania, tj. gdy energia jednocząstkowa zależy od wzajemnej korelacji pomiędzy cząstkami. Są to tzw. układy silnie skorelowane cząstek kwantowych.

Przedmiotem prac badawczych i koncepcyjnych w ramach naszego projektu są wybrane z najbardziej podstawowych nierozwiązanych (lub rozwiązanych częściowo) problemy fizyki materii skondensowanej i kwantowej inżynierii materiałowej układów skorelowanych. Takimi problemami są mikroskopowa teoria i interpretacja natury nadprzewodnictwa wysokotemperaturowego i w układach ciężkich fermionów (elektronów), w ramach zaproponowanego oryginalnego mechanizmu parowania, dokładniejsze zrozumienie natury ciężkich kwazicząstek i zależności ich masy od kierunku ich spinu. Te zjawiska pojawiają się właśnie w klasie układów silnie skorelowanych elektronów I świadczą o tym, że w tych układach elektrony mogą stanowić nowy typ cieczy kwantowej, w której występują przejścia fazowe nowego typu, tzw. kwantowe przejścia fazowe. Te ostatnie przejścia fazowe zaindukowane są zmianami parametrów takich jak gęstość cząstek, czy względna siła oddziaływania między nimi, a nie fluktuacjami termodynamicznymi (przypadkowymi odchyleniami danej wielkości fizycznej od wartości średniej) jak to ma miejsce dla układów z klasycznymi przejściami fazowymi.

Należy zaznaczyć, iż dopiero teoretyczne wyjaśnienie tych zjawisk pozwoli na zrozumienie ich roli w praktyce np. do konstrukcji magnesów produkujących ultra-silne pola magnetyczne czy nowego typu urządzeń w zakresie elektroniki kwantowej. Realizacja takiego projektu wymaga wysiłku zespołowego, w którym połączone są zaawansowane metody analityczne obliczeń kwantowych ze złożoną analizą numeryczną wymagającą stworzenia biblioteki własnych kodów numerycznych i ich przetestowania. Nie jest to zatem typ problematyki nadającej się do bezpośredniej komercjalizacji na tym etapie. Natomiast, finansowanie długoterminowe (5 lat) projektu stwarza nam unikalne warunki naukowe, organizacyjne i stypendialne do podjęcia się takiego ambitnego wyzwania. Jako wymierne wyniki tego projektu przedstawione zostaną: serie prac naukowych w dobrych czasopismach światowych, referaty wygłoszone na naukowych konferencjach międzynarodowych, monografia naukowa w języku angielskim w renomowanym wydawnictwie światowym, a także co najmniej pięć zakończonych rozpraw doktorskich i co najmniej jedna rozprawa habilitacyjna. W ten sposób, co jest cechą charakterystyczną naszego zespołu, łączymy zaawansowane kształcenie z ambitną tematyką naukową (tzw. research driven education).

Jednym z wymiernych owoców takiego projektu jest także powstanie nowego interdyscyplinarnego zespołu naukowego (w naszym kraju) na światowym poziomie, w zakresie bardzo aktualnej tematyki naukowej. Należy podkreślić, iż początek naszemu zespołowi dało przyznanie nam projektu TEAM przez Fundację na rzecz Nauki Polskiej; obecny projekt pozwala na konsolidację zespołu naukowego i podjęcie się tych ambitnych zadań.

Projekt zawiera nie tylko modelowanie teoretyczne, ale także prace doświadczalne dotyczące wybranych własności nadprzewodzących i magnetycznych układów takich jak CeCoIn₅ i związków pokrewnych. Te prace badawcze teoretyczno-doświadczalne będą częściowo prowadzone we właśnie oddanym do użytku niekomercyjnym laboratorium kierowanym przez kierownika projektu w Akademickim Centrum Materiałów i Nanotechnologii ulokowanym w AGH, a teoretyczne w Instytucie Fizyki Uniwersytetu Jagiellońskiego.

Pod względem naukowym badania te mają na celu dostarczenie odpowiedzi na wybrane podstawowe pytania dotyczące silnie skorelowanych układów elektronowych.

Pierwszym takim zagadnieniem jest detekcja i podanie pełnego opisu ilościowego spinowo-zależnych ciężkich mas kwazicząstek. Taka zależność ma miejsce tylko w układach silnie skorelowanych. Żeby sobie uzmysłowić, jak ciekawa i nowatorska to własność należy zauważyć, iż normalnie spin (moment magnetyczny) i masa cząstki są całkowicie niezależnymi od siebie charakterystykami, gdy rozważamy takie cząstki w próżni (w mechanice kwantowej). Tak nie jest w układach skondensowanych i skorelowanych cząstek, gdzie stan pojedynczych cząstek zależy od stanu ich otoczenia. W wyniku silnych korelacji następuje renormalizacja (przedefiniowanie) podstawowych charakterystyk cząstek takich jak masa. Cząstki stają się ciężkie (o masie wielokrotnie przekraczającej tą w próżni), a także zależne od kierunku niesionego przez nie momentu magnetycznego w środowisku spinowo spolaryzowanych cząstek. Ten drugi czynnik jest tym co wyróżnia cząstki w układach silnie skorelowanych od tych wprowadzonych przez Landaua do opisu normalnych cieczy kwantowych Fermiego. Co więcej, pojawienie się spinowej zależności masy cząstki może zostać uznane za kryterium występowania silnych korelacji w układzie. Zależność spinowa mas prowadzi też do zmiany szeregu innych własności układu, takich jak występowanie metamagnetyzmu czy silna zmienność ciepła właściwego układu elektronowego w polu magnetycznym. Naszym celem jest monograficzne opracowanie tych nowych własności układów skorelowanych.

Układy skorelowane charakteryzują się także tym, iż występuje w nich bardzo silne powiązanie właściwości magnetycznych i niekonwencjonalnego nadprzewodnictwa, przy czym te dwa zjawiska występują na zasadzie konkurencji (w nadprzewodnikach wysokotemperaturowych) lub na zasadzie współistnienia (w układach ciężkich fermionów). Zachodzi więc pytanie, czy nie da się ich wzajemnie powiązać. Taki jednolity opis magnetyzmu i nadprzewodnictwa właśnie rozpracowujemy, i to w zastosowaniu zarówno do nadprzewodników wysokotemperaturowych, jak i do układów ciężkofermionowych. Jest to bardzo ambitny projekt i trudno na tym etapie powiedzieć, czy uda nam się sformułować pełną teorię nadprzewodnictwa/magnetyzmu w oparciu o nasze podejście do modelu t-J czy uogólnionego modelu periodycznego Andersona-Kondo, w zastosowaniu do tych dwóch klas materiałów. Do tej pory sformułowaliśmy tzw. statystycznie konsystentną teorię zrenormalizowanego pola średniego i przedyskutowaliśmy jej przydatność do opisu konkretnych układów. Wyniki są bardzo obiecujące, ale np. podejście to nie tłumaczy pojawienie się tzw. pseudoprzerwy. To zjawisko i inne fakty (magnetyzm) są w trakcie rozpracowywania.

Prof. dr hab. Józef Spałek

Jest profesorem zwyczajnym w Instytucie Fizyki Uniwersytetu Jagiellońskiego i na Wydziale Fizyki i Informatyki Stosowanej Akademii Górniczo-Hutniczej. Oprócz projektu MAESTRO (2012-17) jest także laureatem projektu TEAM przyznanego przez FNP na lata 2011-14. Wypromował 18 doktorów nauk fizycznych. Jest kierownikiem Zakładu Materii Skondensowanej i Nanofizyki w IF UJ oraz kierownikiem linii badawczej w Akademickim Centrum Materiałów i Nanotechnologii (ACMIN) ulokowanym w AGH. Prowadzi 12-osobowy zespół badawczy zajmujący się teorią silnie skorelowanych układów elektronowych (UJ) oraz zespół doświadczalny w zakresie ultra-niskich temperatur (AGH). Był laureatem nagrody PAN im. Marii Skłodowskiej-Curie oraz programu MISTRZ przyznanego przez FNP. Jest także członkiem zagranicznym Włoskiej Akademii Nauk w Mediolanie.

Fot. Zespół badawczy zajmujący się teorią silnie skorelowanych układów elektronowych (UJ).

Data publikacji: 04.01.2013