Nowe narzędzia do badania dynamiki na poziomie pojedynczych atomów
W Europie potrzebne są zróżnicowane źródła energii odnawialnej, więc energia słoneczna jest przedmiotem dużego zainteresowania. Za sprawą coraz większych ilości danych potrzebne są też znacznie lepsze techniki pamięci magnetycznych. Choć z pozoru trudno byłoby znaleźć inicjatywę badawczą dotyczącą obu tych dziedzin, prace nad teorią ultraszybkiej dynamiki w rzeczywistych materiałach realizują taki właśnie cel. Zespół finansowanego ze środków UE projektu CRONOS (Time dynamics and control in nanostructures for magnetic recording and energy applications) opracował ilościową, elastyczną i w pełni atomistyczną teorię dynamiki ultraszybkiej. Kluczowe znaczenie dla prowadzonych badań ma zastosowanie teorii funkcjonału gęstości zależnego od czasu. Naukowcy zaimplementowali w kodach ELK i Octopus szereg narzędzi umożliwiających prowadzenie nowych obliczeń: okresowych warunków brzegowych dla ciał stałych oraz impulsów laserowych o dowolnej intensywności i kształcie. Stworzyli także nowe funkcjonały wymiany i korelacyjne, służące do dokładniejszych obliczeń rzeczywistych materiałów. W swojej przełomowej pracy uczestnicy projektu zademonstrowali koherencję przekazywania energii w materiałach tworzących organiczne ogniwa słoneczne. W szczególności wykazano, że podczas formowania się ekscytonów gęstość ładunku i związana z nią energia oscylują w sposób koherentny między donorem i akceptorem. Wyniki tych badań mają bardzo istotne znaczenie, ponieważ potwierdzają wiele badań dotyczących koherentnego przekazywania energii w konwersji energii słonecznej i potencjalnie w biologii. Wcześniej nie prowadzono badań dynamiki na poziomie elektronowym w systemach magnetycznych. Uczonym udało się wyjaśnić procesy mikroskopowe, napędzające ultraszybkie demagnetyzowanie w metalach magnetycznych. Opracowano i przetestowano prawo skali, dotyczące sprzężenia spinowo-orbitalnego i prędkości demagnetyzacji. Prawo to ma zastosowanie do wszystkich materiałów magnetycznych bez względu na ich właściwości makroskopowe (ferromagnetyczne lub antyferromagnetyczne). Co więcej, zespół zbadał dokładnie reakcje optyczne granic faz między materiałami magnetycznymi i niemagnetycznymi. Dzięki optymalnej teorii kontroli kwantowej naukowcy mogą teraz projektować impulsy laserowe powodujące wytwarzanie generacji wyższych harmonicznych cząsteczek. Oznacza to, że możliwe będzie uzyskiwanie odpowiedzi częstotliwościowej rzeczywistych obiektów. Podobne prace przeprowadzono w odniesieniu do dynamiki spinów elektronów kropek kwantowych i makroskopowych metali przejściowych. Rezultaty projektu CRONOS opisano w przeszło 140 artykułach na łamach prestiżowych czasopism naukowych. Uczeni biorący udział w projekcie wygłosili też ponad 100 wykładów na międzynarodowych wydarzeniach i zorganizowali około 20 warsztatów i sympozjów na konferencjach.
Słowa kluczowe
Ultraszybka dynamika, energia słoneczna, magnetyzacja, materiały magnetyczne, teoria budowy atomu
