Pristupačnost
Po prvi je put u Hrvatskoj osmišljen i sintetiziran u obliku monokristala jedan novi materijal naprednih magnetskih i elektronskih svojstava. Time je omogućena primjena najnaprednijih eksperimentalnih tehnika u istraživanjima pri čemu je otkriven novi efekt, koji je potom objašnjen teorijskim pristupom. Tako uspostavljen istraživački krug predstavlja važnu platformu i za razvoj novih materijala u Hrvatskoj i za sudjelovanje Hrvatske u razvoju budućih kvantnih tehnologija.
Međunarodni tim istraživača predvođen znanstvenicima s Prirodoslovno-matematičkog fakulteta Sveučilišta u Zagrebu (PMF) 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 analizom rezultata dobivenih uz pomoć nuklearnog reaktora kao izvoru neutronskog snopa i objavljeno u uglednom znanstvenom časopisu Advanced Functional Materials. Ono predstavlja važan iskorak jer ruši dugogodišnje paradigme u fizici materijala i pokazuje da magnetski uređeni materijali, a vjerojatno i supravodiči, ne moraju nužno imati potpuno uređenu kristalnu strukturu. Cijelo su istraživanje idejno začeli znanstvenici s PMF-a i zatim ga proveli u suradnji s međunarodnim timom suradnika iz Austrije, Francuske, Poljske, Švicarske, Singapura i SAD-a.
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 smo, 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 bazirani na bakru) i pniktida (metalnih materijala bazirani na željezu).
Prof. dr. sc. Neven Barišić objašnjava: „Murunskit je neka vrsta 'nedostajuće karike'. Ima strukturu nalik pniktidima, ali elektronska svojstva koja podsjećaju na kuprate.”
Znanstvenike je kod murunskita posebno 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.
„Kod većine materijala za takvo što treba postojati red atoma u kristalu“, kaže prof. Barišić. „Murunskit ga nema, ali magnetsko uređenje se ipak uspostavlja.“
Kad se nered pretvori u savršen timski rad
Dr. sc. Davor Tolj, trenutno poslijedoktorand na američkom Sveučilišta Johns Hopkins i prvi autor na radu, pojašnjava da se radi o posebnoj vrsti reda koji nastaje sam od sebe iz nereda: „Iako nema jasnog rasporeda, male skupine magnetskih atoma se međusobno usklade i povežu. Te skupine se dalje povezuju u veće i na kraju cijeli kristal pokazuje zajedničko magnetsko ponašanje.“
I ako su nasumce razbacani u strukturi murunskita, magnetski atomi željeza počnu hlađenjem raditi zajedno te se skladno poslože i uzrokuju potpuno magnetsko i orbitalno uređenje materijala. To je kao da skupina ljudi bez prethodnog dogovora ipak završi radeći zajedno potpuno usklađeno, formirajući velike strukture.
Korak naprijed prema materijalima budućnosti
Ovo otkriće dokazuje da funkcionalni red, koji je svojstvo i naprednih magnetskih materijala i supravodiča, ne zahtijeva kristalni red. To mijenja mnoga očekivanja i vjerovanja u fizici materijala i otvara vrata stvaranju novih materijala otpornih na nesavršenosti u izradi i eksploataciji.
„Cilj nam je stvoriti materijale koji će voditi struju bez gubitaka i bez potrebe za dubokim hlađenjem. Kad ih jednog dana i stvorimo, vjerojatno će više nalikovati murunskitu nego idealiziranim kristalima iz udžbenika,” zaključuje prof. Barišić.
U svijetu znanosti o materijalima, gdje se red uvijek tražio u pravilnosti, murunskit nam pokazuje da ponekad treba zaviriti u nered, jer i tamo može ležati ključ budućih tehnologija.
NAPOMENE O FINANCIRANJU: Istraživanje na PMF-u financirano je kroz projekt CeNIKS, sufinanciran sredstvima Vlade RH i Europske unije iz Europskog fonda za regionalni razvoj, kao i putem Hrvatsko-švicarskog istraživačkog programa Hrvatske zaklade za znanost i Švicarske nacionalne zaklade za znanost. Dodatna potpora osigurana je i putem nacionalnih i europskih znanstvenih fondova, uključujući Švicarsku nacionalnu zakladu za znanost, Hrvatsku zakladu za znanost te Europsko istraživačko vijeće te Austrijskog fonda za znanost (FWF).
KONTAK SUGOVORNIKA NA TEMU:
prof. dr. sc. Neven Žitomir Barišić
Mobilni telefon: 0989197159
E-mail: nbarisic@phy.hr
