Znanstvenici PMF-a otkrili zanimljivo svojstvo kristala koji pokazuje zapanjujući uredan nered

Znanstvenici Prirodoslovno-matematičkoga fakulteta Sveučilišta u Zagrebu, u suradnji s međunarodnim timom, osmislili su, sintetizirali i ispitali potpuno novi materijal korištenjem najnaprednijih metoda fizike kondenzirane tvari. Riječ je o kristalu neuređene strukture koji, unatoč potpunom neredu u rasporedu magnetskih atoma, pokazuje potpuni magnetski i orbitalni sklad. Ovo svojstvo moglo bi imati ključnu ulogu u razvoju novih generacija magnetskih materijala, ali i pomoći razumijevanju supravodiča – materijala koji omogućuju prijenos električne energije bez gubitaka.

Novo otkriće potvrđeno je i analizom rezultata dobivenih pomoću nuklearnoga reaktora kao izvora neutronskoga snopa, a objavljeno je u uglednom znanstvenom časopisu Advanced Functional Materials. Ono predstavlja važan iskorak jer napušta dugogodišnje paradigme u shvaćanju magnetizma i upućuje na nov način kako magnetsko uređenje, a vjerojatno i supravodljivost, može nastati unatoč neuređenoj kristalnoj strukturi. Cijelo su istraživanje idejno začeli znanstvenici s PMF-a i zatim ga proveli u suradnji s međunarodnim timom.

KRISTAL KOJI SPAJA ONO ŠTO SE DOSAD SMATRALO NESPOJIVIM

U žarištu interesa znanstvenika s PMF-a našao se murunskit – kristal koji sadrži kalij, bakar, željezo i sumpor. Iako murunskit u prirodi postoji kao mineral, nalazi se isključivo u obliku sitnih natruha unutar stijena. Prvi je put otkriven u Murunskom masivu u Sibiru, po kojem je i dobio ime. U laboratoriju su, međutim, razvili metodu za sintezu velikih, visokokvalitetnih monokristala, polazeći od osnovnih kemijskih elemenata. Takvi monokristali pogodni su za niz naprednih eksperimentalnih tehnika. Zbog svoje slojevite, listićaste strukture, murunskit se mehaničkim kalanjem lako može istanjiti do debljine od svega nekoliko atomskih slojeva, što ga čini posebno zanimljivim za primjene u razvoju kvantnih tehnologija.

Iako nije supravodič, ovaj kristal pokazuje osobine koje ga čine bliskim rođakom dviju dobro poznatih, ali posve različitih klasa supravodiča: kuprata (keramičkih materijala baziranih na bakru) i pniktida (metalnih materijala baziranih na željezu).

Znanstvenike je kod murunskita posebice iznenadila jedinstvena kombinacija reda i nereda. U njemu su atomi željeza i bakra raspoređeni potpuno nasumično, pri čemu atomi željeza imaju magnetska svojstva, a bakra nemaju. No, kad se materijal ohladi na -176 °C, pojavljuje se magnetski red. Atomi željeza iznenada se počnu ponašati usklađeno, slično kao što se svi kompasi okreću prema sjeveru.

O ovom važnom otkriću razgovarali smo s prof. dr. sc. Nevenom Žitomirom Barišićem s Fizičkog odsjeka PMF-a.

Profesore Barišiću, kako Vas je razmišljanje izvan okvira dovelo do kreativnih rješenja i ovog zanimljivog otkrića?

Zanimljiva otkrića često dolaze upravo tamo gdje ih se najmanje očekuje i ne mogu se predvidjeti. Naš početni motiv bio je stvoriti materijal koji na zanimljiv način spaja svojstva dviju jedinih poznatih obitelji visokotemperaturnih supravodiča – bakrovih oksida (kuprata) i željeznih pniktida. Usmjerili smo se na materijal izostrukturan s pniktidima željeza, ali u kojem je većim dijelom (tri četvrtine) željezo zamijenjeno bakrom. Gledano s „kupratne“ strane, spoj se može promatrati i kao sustav u kojem je kisik – koji u kupratima ima važnu elektronsku ulogu – zamijenjen sumporom, prvim elementom ispod kisika u periodnom sustavu. Takva kombinacija, uz visoku fleksibilnost u zamjeni pojedinih elemenata, omogućuje fino podešavanje kvantnih međudjelovanja te je zato obećavala pojavu zanimljivih fenomena.

Recimo, u nered nismo zavirili sve dok nas na to nisu uputili rezultati mjerenja. Kad su se pojavili neočekivani rezultati, bili smo spremni razmišljati drukčije i tada smo shvatili koliko fascinantnu ulogu nered može igrati. Zato smo ga ozbiljno uključili u naša razmatranja.

Što nam ovo otkriće donosi u znanosti o materijalima?

Naše ključno eksperimentalno opažanje jest da se potpuno magnetsko i orbitalno uređenje pojavljuje unatoč činjenici da nastaje unutar sustava koji je intrinzično neuredan. Naime, magnetski atomi željeza (kojih je jedna četvrtina) potpuno su nasumično raspoređeni unutar matrice nemagnetskih bakrovih atoma (kojih je preostale tri četvrtine).

U središtu objašnjenja tog fenomena nalazi se pojava malih otočića koji se spontano samoorganiziraju na nanometarskoj skali. Ukupni magnetizam materijala tada proizlazi kao zbroj njihovih pojedinačnih doprinosa. Riječ je o posve novom mehanizmu uspostavljanja magnetskog uređenja, koji bi mogao biti relevantan i za mnoge druge sustave. Time se otvara pitanje treba li i njih početi promatrati iz nove perspektive.

MATERIJAL ZANIMLJIV ZA BUDUĆE KVANTNE TEHNOLOGIJE

Dok ste istraživali murunskit, pokazalo se da ponekad treba zaviriti u nered jer i ondje može ležati ključ budućih tehnologija. Je li riječ o materijalu budućnosti?

Kvantne tehnologije kritično ovise o izgradnji sklopova, dok se poluvodička industrija temelji na njihovoj izvedbi u slojevima. Stoga je svaki materijal koji zadržava funkcionalnost pri stanjivanju posebno zanimljiv. U ovom slučaju, dodatnu važnost ima činjenica da je funkcionalnost intrinzično dvodimenzionalna, odnosno ostvaruje se unutar jedne atomske ravnine. Zato se materijal teoretski može istanjiti do svega jednog sloja, a da pritom sačuva svoja zanimljiva svojstva.

Posebno je važno u svemu tome što je materijal intrinzično neosjetljiv na nered, zbog čega se očekuje da će magnetska svojstva biti očuvana i za vrlo tanke slojeve materijala. Nadalje, budući da je magnetizam utemeljen na nano-otočićima, moguće je i lateralno smanjivanje materijala do dimenzija tih otočića. Kao rezultat, potencijalno se može dobiti jednoslojni materijal nanometarskih lateralnih dimenzija koji i dalje zadržava magnetska svojstva.

Sve navedeno čini ovaj materijal zanimljivim za buduće kvantne tehnologije – barem na konceptualnoj razini.

Koliko ste dugo radili na ovom vrlo zanimljivom i ozbiljnom istraživanju?

Zagrebačka fizika čvrstog stanja svjetski je poznata i etablirana. To je rezultat rada znanstvenika koji pristupaju istraživanjima ozbiljno, pažljivo i temeljito. Ne žure s rezultatima, već inzistiraju na znanstvenoj metodi te ne posežu za bombastičnim interpretacijama, nego za onima koje uistinu objašnjavaju opažanja. Drugim riječima, pažljivo mjere i predano razmišljaju. Takav pristup često traje godinama, ali kao rezultat daje kvalitetu, a ne kvantitetu. Tako je bilo i s ovim istraživanjem. Također valja istaknuti da smo krenuli s jednom početnom idejom, a završili na sasvim drugoj, poštujući pritom eksperimentalne činjenice. Upravo tako znanost treba funkcionirati – i upravo takav način rada treba njegovati. Sustave evaluacije valja tomu prilagoditi.

ZNANSTVENA IZVRSNOST CIJELOG TIMA

 Na istraživanju je radio tim znanstvenika iz Hrvatske i inozemstva. Tko je bio nositelj odnosno voditelj istraživanja?

Svatko od autora doprinio je projektu. Vrijedi istaknuti da su ideje na kojima se temelji rad u velikoj mjeri proizašle iz zagrebačkih promišljanja o visokotemperaturnoj supravodljivosti u spojevima bakrovih oksida. Izvedena mjerenja bila su vrlo kompleksna i djelomično su realizirana korištenjem tzv. user facilities. Primjerice, neutronska mjerenja se provode na nuklearnim reaktorima u suradnji sa znanstvenicima zaposlenima na tim institucijama.

Posebno je važno naglasiti da smo u Zagrebu uspostavili cjelovit i zaokružen ciklus istraživanja – od same ideje, preko sinteze monokristala visoke kvalitete u novoosnovanom Laboratoriju za sinteze naprednih materijala (osnovanom uz potporu ERC Consolidator granta, projekta kojemu sam bio voditelj), do provođenja naprednih spektroskopskih mjerenja te teorijskog razumijevanja u bliskoj suradnji s prof. dr. sc. Denisom Sunkom.

Prvi autor rada je zagrebački student dr. Davor Tolj. On je doktorirao na École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) pod zajedničkim mentorstvom prof. Rønnowa i mene, te je značajno doprinio svim aspektima istraživanja. Kao izvrstan mladi znanstvenik trenutačno radi na Sveučilištu Johns Hopkins. No, nadam se da će se uskoro vratiti u Hrvatsku i pridonijeti daljnjem razvoju izvrsnosti koju gradimo u Zagrebu.

Istraživanje je u najvećoj mjeri organizirano i koordinirano s moje strane, ali svakako valja naglasiti da je riječ o timskom radu, u kojem je svaki autor dao značajan doprinos i imao važnu ulogu.

Iz kojih su zemalja bili znanstvenici koji su radili na ovom istraživanju i kakva su Vaša iskustva u toj suradnji?

Većinom su to znanstvenici koji su na ovaj ili onaj način povezani s Hrvatskom i zagrebačkom fizikom čvrstog stanja. No, osim njih, surađivali smo i s istraživačima zaposlenima prvenstveno u Švicarskoj (EPFL), ali i u Austriji, Sjedinjenim Državama, Poljskoj, Francuskoj, Indiji i Singapuru.

Takva široka suradnja proizašla je iz činjenice da smo koristili brojne takozvane user facilities, koji omogućuju izvođenje onih mjerenja koja je nemoguće ostvariti unutar standardnih istraživačkih laboratorija. Riječ je o velikim znanstvenim infrastrukturnim centrima, čije pogone vode i održavaju brojni stručnjaci, a koji su ključni za suvremena istraživanja u fizici materijala. Sama činjenica da dobivamo redovito pristup takvim izrazito skupim i konkurentnim resursima potvrđuje znanstvenu izvrsnost našeg tima i važnost istraživanja koje provodimo.