"Eesti Teadusfondi uurimistoetus" projekt ETF8440
ETF8440 "Bose-Einsteini kondensatsioon ja magnetiseeruvuse platood frustreeritud spinn-dimeersetes kvantmagnetites (1.01.2010−31.12.2013)", Raivo Stern, Keemilise ja Bioloogilise Füüsika Instituut.
ETF8440
Bose-Einsteini kondensatsioon ja magnetiseeruvuse platood frustreeritud spinn-dimeersetes kvantmagnetites
Bose-Einstein Condensation and Magnetization Plateaus in Frustrated Spin Dimer Quantum Magnets
1.01.2010
31.12.2013
Teadus- ja arendusprojekt
Eesti Teadusfondi uurimistoetus
ValdkondAlamvaldkondCERCS erialaFrascati Manual’i erialaProtsent
4. Loodusteadused ja tehnika4.10. FüüsikaP260 Tahke aine: elektrooniline struktuur, elektrilised, magneetilised ja optilised omadused, ülijuhtivus, magnetresonants, spektroskoopia1.2. Füüsikateadused (astronoomia ja kosmoseteadus, füüsika ja teised seotud teadused)34,0
4. Loodusteadused ja tehnika4.10. FüüsikaP250 Tahke aine: struktuur, termilised ja mehhaanilised omadused, kristallograafia, phase equilibria1.2. Füüsikateadused (astronoomia ja kosmoseteadus, füüsika ja teised seotud teadused)33,0
4. Loodusteadused ja tehnika4.10. FüüsikaP190 Matemaatiline ja üldine teoreetiline füüsika, klassikaline mehaanika, kvantmehaanika, relatiivsus, gravitatsioon, statistiline füüsika, termodünaamika1.2. Füüsikateadused (astronoomia ja kosmoseteadus, füüsika ja teised seotud teadused)33,0
AsutusRollPeriood
Keemilise ja Bioloogilise Füüsika Instituutkoordinaator01.01.2010−31.12.2013
PerioodSumma
01.01.2010−31.12.2010234 000,00 EEK (14 955,33 EUR)
01.01.2011−31.12.201114 955,60 EUR
01.01.2012−31.12.201214 955,60 EUR
01.01.2013−31.12.201314 955,60 EUR
59 822,13 EUR

Bose-Einsteini kondensatsioon ja magnetiseeruvuse platood frustreeritud spinn-dimeersetes kvantmagnetites tekitatakse piluga mittemagnetilisele materjalile piisavalt tugeva välise magnetvälja rakendamisga. Sellisel juhul osutub võimalikuks muuta süsteemi esialgselt mittemagnetiline põhiolek magnetiliseks. Uus põhioleks koosneb bosonilistest olekutest (spinn = 1, elektrilaeng puudub) mis liiguvad osakestena läbi kogu kristallvõre. Selliste massita ja laenguta võres rändavate osakeste keemiline potentsiaal ja tihedus (konsentratsioon) on täielikult ja pööratavalt kontrollitav välise magnetvälja suurusega. Osakeste tõukeinteraktsiooni ja kineetilise energia tugevuste vaheline suhe koos võre geomeetriaga määrab kas süsteem jahtumisel tahkistub (kristalliseerub) või mitte. Kui süsteem ei kristalliseeru, on ta vastuvõtlik ülivoolavuse-sarnasele kondensatsioonile, nagu seda tuntakse ülijahutatud madala tihedusega atomaarsete gaaside puhul ning ennustatuna Bose ja Einsteini poolt kaheksakümne aasta eest. Meie projekt (mis on loogiline jätk varasematele ETF projektidele 4931 ja 6852) näeb ette uudsete (koherentsete) aineolekute loomist, kontrollimist ja iseloomustamist kvant-spinn-süsteemides (kvantmagnetites) - BaCuSi2O6, SrCu2(BO3)2, PbV3O9 jt. kasutades nii olemasolevaid tahkiste sünteesi võimalusi koostööpartnerite juures (Jaapan, USA, Kanada) ning projekti raames loodud ja täiustatud võimalusi KBFI's; kui ka unikaalseid eksperimentaalseid vahendeid Tallinnas KBFI's, Tallahassee's NHMFL's, Grenoble'is GHMFL's , Los Alamoses LANL'is, Shveitsis PSI’s või ka mujal. Lisaks sellele kasutame täiuslikemaid viimase paari aasta jooksul koostööpartnerite (LANL ja EPFL) arendatud analüütilisi tehnikaid ja numbrilisi algoritme kvant-spinn-magnet-süsteemide lahendamiseks. Projekti raames plaanime siirata olulise osa programmidest ja kaasnevast oskusteabest nii doktoriõppe kui ka teadlasvahetuse kaudu ka Eestisse kasutamiseks nii KBFI's kui võimalike partnerite juures Tartus ja Tallinnas. Kuna magnetilistes süsteemides toimub kondensatsioon mitu suurusjärku kõrgemal temperatuuril kui väärisgaasides, on neil olulisi potensiaalseid rakendusi - näiteks tuleviku kvantarvutite keskkonnana. Esitatav ETF projekt peab kujunema Eesti-poolse tegevuse selgrooks ka pikaajaliste Euroopa projektide täitmisel – nii FP7 programm Euromagnet 2 kui ka Euroopa Teadusfondi ? la carte programmid Highly Frustrated Magnetism (HFM) (mai 2005 - mai 2010) ja IntelBioMat (2009-2013).
Bose-Einstein Condensation (BEC) and magnetization plateaus in frustrated spin dimer quantum magnets are (for example) produced artificially by placing gapped non-magnetic materials (with the necessary ingredients) in a sufficiently strong external magnetic field. When this is done it is possible to change the non-magnetic ground state of the system into a magnetic ground state that consists of bosonic states (spin = 1, no electrical charge) that move throughout the lattice like particles. The chemical potential and concentration of these charge-less and mass-less particles in the lattice, is solely and reversibly controlled by the external magnetic field. The balance between the repulsive interaction and kinetic energy of the particles, together with the lattice geometry, determine whether the system forms a solid (crystallizes) or not upon cooling. When the spin system does not crystallize it is susceptible to superfluid-condensation (BEC). We propose here (to continue our former ETF grants 4931 and 6852) to create, control and characterize new coherent states of matter in various quantum magnets - BaCuSi2O6, SrCu2(BO3)2, PbV3O9 etc. making use of existing materials synthesis capabilities (both through intensive international collaborations and the new and improved ones at NICPB), and the unique experimental tools provided by the NICPB in Tallinn, NHMFL at Tallahassee, GHMFL in Grenoble, LANL in Los Alamos, and others. In addition to this we will use the most sophisticated analytical techniques and numerical algorithms for solving quantum spin magnet problems developed during the last couple of years at our collaborators (LANL, EPFL) and perspectively adopted in process of our project for use in Estonia, both through the PhD studies as well as via scientific exchange. Compared to ultra cold atom gases or even excitons or polaritons, the relatively high temperatures and easy-to-achieve experimental conditions at which tripleton condensation is expected make them much more accessible to modern observation and characterization techniques. The new techniques will enable exploration of potential use of a coherent spin state involving thousands of spins in quantum computation-related experiments. Current proposal is intended to serve as backbone for Estonian participation in the EU FP-7 program Euromagnet II and in the ? la carte programs from European Science Foundation Highly Frustrated Magnetism (HFM) (May 2005 - May 2010) and IntelBioMat (2009-2013).