Allmänna målsättningar

De övergripande målen för divisionen är att utveckla konceptuella verktyg för materials elektroniska struktur och de egenskaper som uppstår till följd av den elektroniska strukturen. T.ex. magnetism, magnetiseringsdynamik, fotovoltaisk aktivitet, kapacitet att lagra Li eller H för batteritillämpningar , tillståndsekvationer, transportegenskaper, multi-funktionalitet e.t.c. Detta involverar bland annat funktionella material med designad magnetisk anisotropi, funktionella ytor och eventuella nya supraledare. Att erhålla förståelse för material i nanostorlek-systemet är också ett fokusområde. Insatserna från divisionen kan delas in i två klasser; i) utveckling av metoder och verktyg, och ii) tillämpningar av dessa verktyg för att erhålla nya material och apparater. Ett exempel på avdelningens forskning beskrivs i bilden till höger, som illustrerar hastigheten för att byta magnetiseringsriktning hos ett magnetiskt nano-
material, en s.k. syntetisk antiferromagnet.

Metoder

En stor tidigare bedrift är utvecklingen av en fullt laddad självkonsistent elektronstrukturmetod RSPt (http://fplmto-rspt.org/), med kapacitet att inkludera effekten av elektronkorrelation genom att använda den dynamiska fältteorin. Detta möjliggör en korrekt beskrivning av elektronstrukturen för korrelerade elektronsystem, som övergångsmetalloxider, aktinider och lantanider föreningar o.s.v. Metoden bygger på föroreningslösare som använder FLEX, exakt diagonalisering och Hubbard-I approximationen.

En ytterligare metodologisk genombrott är det atomistiska spin-dynamik simulering paketet UppASD (http://www.physics.uu.se/en/page/UppASD), som möjliggör simulering av alla magnetiska material vid ändlig temperatur. Metoden är ab-initio eftersom att alla relevanta interaktioner av materialet beräknas utan experimentell ingång, bara atomnummret och geometrin behövs. Denna teknik möjliggör simuleringar av, till exempel, ultrasnabba magnetisering dynamik, experimentellt inducerade av en magnetpuls eller från en så kallad spinnmomentöverföring. Metoden möjliggör jämväl för undersökningar av Skyrmion dynamik.

Traditionellt är första principerna teorin, baserad på täthetsfunktionalteori, endast relevant vid en temperatur av 0 K, vilket är långt ifrån de flesta, om inte alla, experimentella situationer. Divisionen har nyligen föreslagit en metod för att övervinna detta tillkortakommande och kan nu utvärdera den fria energin, ab-initio, även som en funktion av temperaturen. Denna metod kallas SCAILD (själv konsekvent ab-initio gitterdynamik), och vi har påvisat möjligheten att reproducera temperaturdrivna fasövergångar mellan olika allotropes av ett material.

Forskare på divisionen har också genererat en databas av den elektroniska strukturen av alla kända oorganiska material (http://gurka.fysik.uu.se/ESP/), och vi har utformat sökalgoritmer som kan användas för att identifiera material med önskade, men hittills okända egenskaper, som nya supraledare med hög temperatur.

Material

Med den teknik som beskrivs ovan har vi undersökt ett flertal materialegenskaper, och tillhandahållit en förståelse för nya klasser av magnetiska material, t.ex. de så kallade utspädda magnetiska halvledarna och de multiferroica föreningarna. Dessutom har vi visat att magnetiska molekyler kan uppnå en utbyte-interaktion på ett substrat, vilket kan öppna upp för nya konstruktioner inom området för molekylär elektronik. Vi har också gjort flera förutsägelser som senare verifierats. Detta inbegriper t.ex. den stora magnetiska anisotropin hos FeCo-legeringar, som identifierar en legering med förbättrade magnetiska egenskaper jämfört med de flesta andra magneter. Detta material har potential att ersätta de allt mer kostsamma och sällsynta jordartsbaserade permanentmagneter, för kraftapplikationer och för användning i elektriska motorer. Vi har även gjort förutsägelser om två-dimensionella material, som, precis som grafen, har unika elektroniska strukturer kopplade till de reducerade dimensionerna av kristallstrukturen. Dessutom, i samarbete med experimentella grupper på Ångström Laboratoriet har vi identifierat material som kan “svettas” kol och andra smörjmedel till ytan av materialet, med potential för användning i tribologiska miljöer, utan användning av oljebaserade glidmedel.

Mer information på hemsidan: http://www.physics.uu.se/mattheo