Eden od osrednjih izzivov v fiziki, kemiji in znanosti o materialih je iskanje natančnih ab initio opisov materialov, ki so ultimativno sestavljeni iz kvantnih elektronov in jeder. Medtem ko so se zmogljive numerične metode, kot je teorija gostotnih funkcionalov (DFT), izkazale za izjemno uspešne pri opisovanju kvantnega vedenja elektronov na računsko učinkovit način – kar je omogočilo uporabo od razumevanja in napovedovanja lastnosti materialov do ab initio načrtovanja novih materialov – so primerljivo natančni in učinkoviti opisi kvantnih pojavov jeder (zlasti lahkih) ostali nedosegljivi. Njihove kvantne pojave se zato pogosto zanemari in se namesto tega obravnavajo kot klasični, točkasti delci; kljub temu, da je znano, da kvantna nedoločenost položajev lahkih jeder in njihovo kvantno tuneliranje močno vplivata na strukturo in dinamiko pomembnih razredov naprednih materialov, vključno z materiali za shranjevanje vodika, materiali z litijevimi ioni in superprevodniki z rekordno visokim Tc. Pravzaprav so v sodobnih ab initio izračunih manjkajoči kvantni pojavi jeder pogosto prevladujoč vir neskladja med numeričnimi napovedmi in eksperimentalnimi rezultati.
Pri proučevanju magnetnih in superprevodnih materialov pogosto uporabljamo tudi mionsko spektroskopijo (μSR), pri kateri kvantne delce, imenovane mioni, ustvarimo v pospeševalnikih delcev in vnesemo v preučevani material kot edinstveno občutljive lokalne sonde notranjih magnetnih polj. Vendar pa je interpretacija eksperimentov μSR pogosto dvoumna zaradi neupoštevanih kvantnih pojavov mionov (predvsem kvantne negotovosti v njihovih položajih, kvantne prepletenosti s položaji ali spini bližnjih jeder in naključnih dogodkov kvantnega tuneliranja). Ti so zaradi manjše mase mionov (so ~9× lažji od vodika) celo močnejši od kvantnih pojavov jeder. Ker je μSR ena redkih tehnik, ki jih lahko uporabimo za preučevanje spinske dinamike naprednih kvantnih in topoloških materialov, vključno s superprevodniki, kvantnimi spinskimi tekočinami (QSL; eksotična dinamična spinska stanja s kvantno prepletenostjo dolgega dosega, vendar brez reda dolgega dosega, s predlaganimi aplikacijami v robustnem, topološkem kvantnem računalništvu) in skirmioni (topološko zaščiteni vrtinci magnetizacije, s predlaganimi aplikacijami v spintroniki, magnetnem analogu elektronike), je ključnega pomena, da natančno upoštevamo kvantne pojavov mionov.
Predlagani program bo razvil potrebna teoretična orodja in numerične metode za natančen in učinkovit opis kvantnih pojavov mionov in lahkih jeder. Tako bo odklenil polni potencial zmogljive tehnike μSR pri preučevanju naprednih materialov ter končno omogočil zanesljive ab initio napovedi in razumevanje ključnih kvantnih pojavov jeder v različnih kvantnih materialih. Preučeval bo tudi eksotične kvantne in topološke spinske sisteme, vključno s QSL in skirmioni, z uporabo μSR in sorodnih eksperimentalnih tehnik, tako za pridobitev ključnih novih vpogledov v ta eksotična stanja snovi kot za testiranje razvite teorije.
Doc. dr. Matjaž Gomilšek
Matjaž Gomilšek je vodja Laboratorija za numerično fiziko in član Laboratorija za meritve na velikih uporabniških objektih na Odseku za fiziko trdne snovi F5. Njegovo raziskovalno delo je osredotočeno na eksperimentalne in ab initio raziskave kvantnega in topološkega magnetizma ter povezanih kvantnih pojavov lahkih delcev v snovi. Je prejemnik več raziskovalnih projektov ARIS, vodja superračunalniške gruče odseka F5 in sorazvijalec programa MuFinder za ab initio analizo meritev mionske spektroskopije.
Raziskovalni program: Fizika kvantnih in funkcionalnih materialov
Tema usposabljanja: Kvantni pojavi lahkih delcev v snovi in ab initio simulacije snovi