O badaniach prowadzonych w Centrum SOLARIS

Data dodania: poniedziałek, 1 kwietnia 2019, autor: nuclear.pl

W dniu dzisiejszym Narodowe Centrum Promieniowania Synchrotronowego SOLARIS kończy kolejny nabór wniosków o czas badawczy na liniach pomiarowych w synchrotronie SOLARIS. Już wkrótce naukowcy będą mogli realizować swoje badania, z których powstaną interesujące publikacje i prezentacje na konferencjach. W tym kontekście warto przywołać kilka przykładów badań, które były wykonywane na liniach badawczych Centrum SOLARIS w pierwszym naborze.

Nowe metody zapisu danych

Jedną z dwudziestu kilku grup badawczych w pierwszym naborze była grupa dra inż. Piotra Kuświka z Instytutu Fizyki Molekularnej PAN z Poznania, która wykonywała badania w zakresie fizyki ciała stałego wykorzystując linię PEEM/XAS. Grupa badała ultracienkie warstwy magnetyczne, które mogą posłużyć jako nośnik do zapisu informacji.

W przyszłości wyniki badań pozwolą określić czy istnieje możliwość utworzenia bardzo małych struktur magnetycznych i ich zastosowania w pamięciach masowych o wysokiej gęstości zapisu danych. Wyzwaniem dla naukowców jest uzyskanie takich stabilnych struktur w temperaturze pokojowej, które pozwoliłyby zwiększyć aktualnie uzyskiwane gęstości zapisu informacji w konwencjonalnych dyskach twardych. Chociaż są to badania podstawowe mające na celu zdobywanie nowej wiedzy o zjawiskach fizycznych, nie wyklucza się ich zastosowania również do opracowania nowego typu tranzystorów czy układów logicznych.

- Praca na synchrotronie to jeden z etapów naszej pracy badawczej - mówi Piotr Kuświk lider grupy realizujący projekt NCN SONATA-BIS. - Zanim dotarliśmy tutaj pracowaliśmy blisko 4 lata. Pierwszym etapem było opracowanie technologii wytworzenia warstw magnetycznych z wykorzystaniem rozpylania magnetronowego i ablacji laserowej. Te prace wymagały zastosowania specjalistycznej aparatury próżniowej, która została zakupiona z projektu SpinLab współfinansowanego ze środków UE. Po ich wytworzeniu wykonuje się serię pomiarów w celu określenia ich podstawowych właściwości strukturalnych i magnetycznych. Taką charakterystykę wykonaliśmy przy zastosowaniu szeregu metod badawczych przy użyciu aparatury takiej jak: dyfraktometr, mikroskop sił magnetycznych, magnetometr. Po uzyskaniu pożądanych wielkości fizycznych, przyszedł czas na wykonanie badań na synchrotronie - uzupełnia naukowiec.

Świat nauki i biznesu pokłada dużą nadzieję w rozwoju nowych nośników danych, które będą mogły zrewolucjonizować zapis rosnącej lawinowo ilości danych. Dlatego mamy nadzieję, że praca tej grupy badawczej dzięki pomiarom na synchrotronie znajdzie wiele nowatorskich zastosowań.

Wydajniejsze ogniwa fotowoltaiczne

Kolejną grupą działającą w obiecującym i innowacyjnym obszarze to grupa prof. Małgorzaty Igalson z Politechniki Warszawskiej, która wykonała pomiary na stacji XAS. Ich badania koncentrują się w obszarze fizyki materiałowej ogniw słonecznych. Na synchrotronie badają jeden z rodzajów cienkich ogniw słonecznych i sprawdzają gdzie w tych ogniwach lokuje się sód. Jest to ważne, gdyż sód należy do czynników, które poprawiają wydajność ogniw.

W latach 90- tych XX w. na Uniwersytecie w Uppsali przez przypadek odkryto, że sód zwiększa wydajność ogniw słonecznych typu CIGS. Wykonując ogniwo na zwykłym szkle, zawierającym m.in. tlenek i węglan sodu, zaobserwowano, iż wydajność ogniwa wzrosła.

- Wspólnie z doktorantką Panią Anielą Czudek sprawdzamy dlaczego ogniwa CIGS zwiększają wydajność po dodaniu sodu. Na synchrotronie badamy otoczenie atomów sodu w ogniwie - mówi dr Aleksander Urbaniak. - Badania, które prowadzimy są elementem projektu dotyczącego badania roli sodu w ogniwach CIGS i stanowią uzupełnienie dla szeregu innych metod badawczych. Wyniki uzyskane na synchrotronie pozwolą nam na eksperymentalną weryfikację modeli teoretycznych dotyczących badanej roli sodu - dodaje badacz.

Nowe materiały dla energetyki

Innym przykładem obiecujących pomiarów wykonanych na synchrotronie - tym razem w obszarze inżynierii materiałowej - są badania grupy dr Aleksandry Mielewczyk-Gryń z Politechniki Gdańskiej.

Grupa ta badała domieszkowane ziemiami rzadkimi kobaltyty lantanu, które należą do materiałów posiadających właściwości strukturalne i elektryczne bardzo atrakcyjne z punktu widzenia ich potencjalnego zastosowania jako materiał elektrodowy w wysokotemperaturowych ogniwach paliwowych i w elektrolizerach. Praktycznym zastosowaniem tych badań może być dalsze projektowanie nowych, stabilnych i wydajnych materiałów dla energetyki.

- Badania realizowane w SOLARIS na stacji XAS stanowią część naszego szerokiego projektu badawczego, w trakcie którego stosujemy różne techniki pomiarowe, w tym np. takie jak: dyfrakcja rentgenowska (również z wykorzystaniem promieniowania synchrotronowego) i dyfrakcja neutronowa, transmisyjna mikroskopia elektronowa, termograwimetria, czy badania właściwości elektrycznych - wyjaśnia dr Mielewczyk-Gryń. - Ponadto w celu uzyskania pełnego obrazu procesów absorpcyjnych wymagane jest poszerzenie badań o pomiary z wykorzystaniem twardego promieniowania rentgenowskiego. Dlatego też złożyliśmy wniosek na linię XAFS w synchrotronie ELETTRA, w trakcie którego planujemy wykonać między innymi pomiary na krawędzi K kobaltu - uzupełnia prof. Agnieszka Witkowska, koordynująca badania realizowane z wykorzystaniem metod spektroskopowych.

Spintronika

To oczywiście tylko kilka przykładów interesujących badań. Natomiast pierwszymi pomiarami na synchrotronie, które doczekały się publikacji w „Scientific Reports\" - prestiżowym czasopiśmie wydawanym przez Nature Research, są badania dra inż. Michała Ślęzaka i współpracowników z grupy „Nanostruktury Powierzchniowe” na Wydziale Fizyki i Informatyki Stosowanej Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie.

Pod koniec roku 2018 naukowcy wykorzystali możliwości pomiarowe oferowane przez stację badawczą XAS w Centrum SOLARIS. Grupa dokonała ciekawego odkrycia dotyczącego właściwości magnetycznych układów dwuwarstwowych typu antyferromagnetyk/ferromagnetyk. Dotychczas uważano, że to warstwa antyferromagnetyczna zawsze dominuje nad sąsiadującym ferromagnetykiem i np. dyktuje mu jaki powinien wybrać kierunek dla swojego namagnesowania. W rzeczy samej, taka sytuacja ma często miejsce i w większości dotychczasowych publikacji taki opis uznawano za powszechną właściwość układów antyferromagnetyk/ferromagnetyk.

Naukowcy z AGH, dzięki symulacjom komputerowym i badaniom na synchrotronie, odkryli odwrotną zależność dla układu typu ferromagnetyk (w tym przypadku żelazo) i antyferromagnetyk (tlenek kobaltu). Dzięki zastosowaniu warstwy ferromagnetyka o bardzo silnych i dobrze zdefiniowanych właściwościach magnetycznych, udało się „zmusić” warstwę antyferromagnetyka by podążała za kierunkiem namagnesowania warstwy ferromagnetyka. Opracowano zatem nowy sposób sterowania magnetyzmem antyferromagnetyków, co jest niezwykle istotne z punktu widzenia zastosowań w dziedzinie współczesnej spintroniki, czyli elektroniki bazującej już nie na ładunku elektrycznym elektronu, lecz na jego spinie (momencie magnetycznym). W przyszłości można upatrywać praktycznego zastosowania tych badań w przypadku pracy nad nowym sposobem zapisu informacji, łatwiejszą kontrolą i sterowalnością tego zapisu.

W chwili obecnej naukowcy przygotowują się do kontynuacji tych badań, w szczególności chcą sprawdzić czy podobne efekty można zaobserwować w innych układach, w których jako ferromagnetyk występować będą np. kobalt lub nikiel, a rolę antyferromagnetyków będą odgrywały warstwy wytworzone m.in. z tlenku niklu, żelaza czy chromu.

Kolejne grupy naukowców - tym razem z drugiego naboru wniosków o czas badawczy - wykonują swoje badania na synchrotronie i już wkrótce dowiemy się więcej na ich temat. Wszystkich użytkowników synchrotronu zapraszamy do przygotowywania eksperymentów badawczych i składania wniosków poprzez portal Solaris Digital User Office (DUO).