2.1  A kutatás célja

A vizsgált rendszerek a szerves molekulakristályok, különböző szénmódosulatok (nanocsövek, grafén és grafit), biomolekulák, komplex mágneses anyagok és az ún. multiferroikus rendszerek körét ölelik fel. Ezen anyagcsaládokban rejlő technológiai potenciált jól példázzák a napjainkban felfedezett multiferroikus anyagok, melyek egyidejűleg mágnesesek és ferroelektromosak. Mivel e két jelenséget gyakran erős kereszteffektus köti össze, ezen anyagok mágneses és elektromos állapota kölcsönösen manipulálható, mely egy újfajta információ-technológiai alapjául szolgálhat. Ezen túl különleges optikai funkciókat is megvalósíthatnak: a más rendszerekben nem tapasztalható irányfüggő kettőstörés jelensége például lehetővé tenné polarizálatlan fény egyenirányítását, ami mindezidáig nem megoldott.

Az egyes részterületeken kitűzött célok:

• Óriás magneto-optikai effektust mutató anyagok kutatása fémes és félvezető kristályokban,
• Multiferroikus anyagok kutatása és a magnetoelektromos effektus mikroszkopikus eredetének megértése,
• Malária magneto-optikai diagnózisának kifejlesztése; fehérjék struktúrájának és szerkezeti változásának vizsgálata cirkuláris dikroizmus spektroszkópiával,
• Nem konvencionális mágnesek és mágneses rétegszerkezetek vizsgálata elektron spin rezonancia spektroszkópiával,
• Szerves töltésátviteli sók spindinamikájának vizsgálata,

Szén nanocsövek, grafén és grafit elektronszerkezetének spektroszkópiai vizsgálata, adalékolás hatása.

2.2  Technikai leírás

Az új és különleges tulajdonságokkal bíró mágneses anyagok kutatásának fontos és hatékony eszközét jelentik azon modern spektroszkópiai módszerek, melyek a BME Fizikus Doktori Iskola vonzáskörzetébe tartozó kísérleti laboratóriumokban megtalálhatók. Az itt kifejlesztésre került multi frekvenciás elektron spin rezonancia spektrométer, az egyedülállóan széles infravörös-ultraibolya tartományt átfogó magneto-optikai spektrométer illetve a Raman és szilárdtest NMR spektrométerek lehetővé teszik a szilárd testek sávszerkezetének, mágneses és elektromos tulajdonságainak vizsgálatát az elektronok spin-, rács-, és töltésgerjesztésein illetve a kristályrács gerjesztésein keresztül.

Az optikai kísérletekhez számos mérőrendszert és spektrométert használunk, melyek közül több – részben vagy egészében –  egyéni fejlesztésű. Ezen eszközökkel optikai reflektivitást és transzmissziót illetve magneto-optikai Kerr effektust (MOKE), Faraday effektust, mágneses és természetes cirkuláris kettőstörést tudunk mérni a 0.1-7 eV foton energia tartományban (hullámhosszban: 170-12000 nm). A mágneses és természetes cirkuláris kettőstörés vizsgálatokat nagy érzékenységű polarizáció modulációs technikával valósítottuk meg, melynek alapját gyors optikai detektorok, fotoelasztikus modulátorok és lock-in erősítők adják.

A kutatásokban egyformán szerepet kapnak a kísérleti és elméleti vizsgálatok: az elméleti és kísérleti kutatók közti kooperáció nélkülözhetetlen mind az elektronszerkezeti tulajdonságok, mind pedig a mágneses gerjesztések vizsgálatában. Ezen problémák elméleti modellezése komoly számítástechnikai hátteret igényel.

2.3  A várt eredmények összefoglalása

• A multiferroikus anyagok kereszteffektusainak feltárása és megértése.  
• Szén-alapú elektronikai és optikai eszközök kifejlesztése.
•  Magneto-optikai jelenségek orvostudományi alkalmazása.

2.4  Az elérni kívánt eredmények jelentősége és alkalmazásai

Az eredmények várható hasznosítása:

• Az új mágneses és multiferroikus rendszerek alapanyagul szolgálhatnak a spintronika, az optikai adatátvitel és szenzortechnológiák területén,
• A szénmódosulatok mechanikai, elektromos vezetési és optikai tulajdonságaik révén nyerhetnek alkalmazást,
• A malária magneto-optikai diagnózisára kifejleszteni kívánt eszköz klinikai gyógyászatban és orvosi kutatásokban egyaránt hasznosulhat.
• A fehérjék térstruktúrájának meghatározása nagyban hozzájárul a funkcionalitásuk megértéséhez.

2.5  A tehetséggondozás formája a kutatások során

A tervezett kutatások során a doktoranduszok munkáját napi munkakapcsolat szintjén irányítják a témavezetők: a tehetséges hallgatók előtt egyéni fejlődési lehetőség nyílik meg. A hallgatók folyamatos visszajelzést kapnak szakmai előrehaladásukról a doktorandusz-beszámolók értékelése, valamint a doktori iskolán belüli szemináriumokon tartott előadásaik megvitatása során.

Nemzetközi együttműködéseinkre támaszkodva hallgatóink nívós külföldi intézményekben szerezhetnek tapasztalatokat. Előadói képességeiket nemzetközi konferenciákon való részvétellel fejleszthetik.

PROJEKT ELŐREHALADÁSI JELENTÉSEK

Időtartam: 2012. január 1-  2012. június 30

Az új és különleges tulajdonságokkal bíró mágneses anyagok spektroszkópiás vizsgálata során a jelen beszámolási periódusban (2012. 01. 01 - 2012. 06. 30.) a következő területeken történt nagyobb léptékű előrelépés.

Az úgynevezett multiferroikus (egyszerre mágneses és ferroelektromos) anyagok körében a Ba₂CoGe₂O₇ és Ca₂CoSi₂O₇ könnyű síkú antiferromágnesek esetén erős optikai magnetoelektromos effektus megjelenését tapasztaltuk a spingerjesztések tartományában, ami óriási irányfüggő abszorpciót eredményez a teraHertz frekvencia tartományban. A Ba₂CoGe₂O₇-n elért eredményekből két cikk született, melyből egy megjelent a Physical Review Lettersben, a másik elfogadásra került a Nature Physics folyóiratban. Ezen kutatásban Antal Ágnes (doktorandusz), Bordács Sándor (PhD), Fehér Titusz (PhD), Kézsmárki István (PhD), Szaller Dávid (doktorandusz) vettek részt.

Az óriás magneto-optikai effektust mutató anyagok kutatása során vizsgáltuk a BiTeI félvezetőt illetve ennek elektron és lyuk adalékolt változatait. Az infravörös tartományban paramágneses anyagoknál szokatlan mérvű magneto-optikai effektust tapasztaltunk. Az erdményekből kéziratot született, melyet beküldtünk a Physical Review Letters újsághoz. Ezen témában Kézsmárki István (PhD), Kocsis Vilmos (doktorandusz) vettek részt.

A malária magneto-optikai diagnosztikájának terén végzett kísérleteink megmutatták, hogy a maláriapigmentet alkotó kristályok specifikus alakjának és mágneses anizotrópiájának köszönhetően a mágnesesen indukált lineáris kettöstőrés/dikroizmus mérése igen érzékeny diagnosztikai módszerré válhat maláriafertőzés kimutatására. Az eredményeket nemzetközi konferencián mutattuk be. Ezen túlmenően célunk egy klinikai diagnosztikában használható, kompakt és a lehetőségekhez mérten olcsó maláriafertőzést vizsgáló készülék prototípusának kifejlesztése. Ezen kutatásban Bordács Sándor (PhD), Kézsmárki István (PhD), Butykai Ádám (MSc hallgató), Orbán Ágnes (MSc hallgató) vettek részt.

Szén nanocsövek Raman spektroszkópiás vizsgálatára optimalizált spektrométer kifejlesztésén dolgoztunk.  Ezen témában Simon Ferenc (PhD) vett részt.

A projekt hasznosulása:

Romhányi Judit sikeresen megvédte  Exotic ordering and multipole excitations in anisotropic systems című PhD disszertációját, és fokozatot szerzett.

 Időtartam: 2012. július 1-  2012.december 31.

Az új és különleges tulajdonságokkal bíró mágneses anyagok spektroszkópiás vizsgálata során a jelen beszámolási periódusban (2012. 07. 01 - 2012. 12. 31.) a következő területeken történt nagyobb léptékű előrelépés.

Az úgynevezett multiferroikus (egyszerre mágneses és ferroelektromos) anyagok körében a TbFe₃(BO₃)₄ és NdFe₃(BO₃)₄ könnyű tengelyű illetve könnyű síkú antiferromágnesek spingerjesztéseit vizsgáltuk és számottevő erősségű optikai magnetoelektromos effektust figyeltünk meg a THz frekvencia tartomanyban.  Ezen kutatásban Kézsmárki István (PhD), Kocsis Vilmos (doktorandusz), Szaller Dávid (doktorandusz) vettek részt.

A malária magneto-optikai diagnosztikájának terén végzett kísérleteink megmutatták, hogy a maláriapigmentet alkotó kristályok specifikus alakjának és mágneses anizotrópiájának köszönhetően a mágnesesen indukált lineáris kettöstőrés/dikroizmus mérése igen érzékeny diagnosztikai módszerré válhat maláriafertőzés kimutatására. A módszer érzékenységét vérben szuszpendált szintetikus maláriapigment kristályokon is teszteltük. Belefogtunk egy klinikai diagnosztikában használható, kompakt és a lehetőségekhez mérten olcsó maláriafertőzést vizsgáló készülék prototípusának kifejlesztéséhez. Ezen kutatásban Kézsmárki István (PhD), Butykai Ádám (MSc hallgató), Orbán Ágnes (MSc hallgató) vettek részt.

A projekt hasznosulása:

Séfel Richard: sikeresen megvédte Számítógéppel generált hullámfrontok alkalmazása a koherens optikai méréstechnikában című PhD disszertációját, és fokozatot szerzett.

Időtartam: 2013. január 15-  2013. június 30

Az új és különleges tulajdonságokkal bíró mágneses anyagok spektroszkópiás vizsgálata során a jelen beszámolási periódusban a következő területeken történt nagyobb léptékű előrelépés.

A spinel króm oxid típusú mágneses félvezető anyagok körében erős magnetoelaszticitást figyeltünk meg a kristályok rácsrezgéseinek megváltozásán keresztül. Az anyagcsaládon elért eredményeinket egy a Physical Review B-ben megjelent cikk összegzi. Ezen kutatásban Kocsis Vilmos (doktorandusz), Kézsmárki István (PhD) vettek részt.

Az optikai magnetoelektromos effektus ezen belül az irányfüggő fényabszorpció megjelenésének szimmetria feltételeit vizsgáltuk mágneses kristályokban csoportelméleti módszerekkel. Analízisünk ezen effektusok megjelenését az anyagok jóval szélesebb körében jósolja, mint a korábbi elméleti várakozások és kísérleti megfigyelések. Eredményeink a  Physical Review B-ben kerültek közlésre. Ezen témában Szaller Dávid (doktorandusz) és Kézsmárki István (PhD) vettek részt.

A korábban kifejlesztett magneto-optikai elven működő maláriadiagnosztikai műszert fertőzött vérmintákon teszteltük. A kísérletek alátámasztják a módszer rendkívüli érzékenységét a malária diagnózisában. A kutatásban Butykai Ádám (doktorandusz), Orbán Ágnes (doktorandusz) és Kézsmárki István (PhD) vettek részt.