Projekti / Programi
Raziskave atomov, molekul in struktur s fotoni in delci
01. januar 2004
- 31. december 2008
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 1.02.00 |
Naravoslovje |
Fizika |
|
| Koda |
Veda |
Področje |
| P230 |
Naravoslovno-matematične vede |
Atomska in molekularna fizika |
Atomska fizika, molekulska fizika, elektronske korelacije, fotoabsorbcija, fluorescenca, Augerjeva spektroskopija, spektrokopija na čas preleta, rentgenska spektroskopija, Moessbauerjeva spektroskopija, fizika površin, vibracijsko vzbujene molekule vodika, sipanje helijevih atomov, ionski pospeševalnik, analitične metode z ionskimi žarki, EXAFS, XANES, PIXE, RBS, ERDA, trki elektronov z atomi in molekulami, ionski mikrožarek.
Raziskovalci (15)
Organizacije (4)
Povzetek
Osnovni predmet raziskav je interakcija delcev s snovjo pri nizkih energijah. Pri tem gre za vpadne energije reda velikosti od nekaj deset meV, recimo pri sipanju atomov helija na površinah, pri katerem z veliko občutljivostjo tipamo vrhnjo plast atomov, pa do nekaj MeV/amu pri obstreljevanju tankih plasti z ioni, pri katerem nam gre za določanje globinskih porazdelitev posameznih elementov v snovi. Na osnovnem nivoju gre za interakcijo fotonov in delcev s kvantno strukturo atomov in molekul, na višjem nivoju pa razpored atomov v snovi modulira to interakcijo z interferenčnimi učinki. Na osnovnem nivoju so naše raziskave usmerjene v študij procesov vzbujanja ter relaksacije kvantnih stanj izoliranih atomov, ki jih pripravimo v razredčenih plinastih tarčah. Pri tem gre v glavnem za podrobne raziskave mehanizmov vzbujanja ter določanje razvejitvenih razmerij za različne razpadne poti vzbujenih stanj, kar dosežemo s koincidenčno detekcijo razpadnih produktov, ki so fotoni, elektroni, ioni ali atomi v metastabilnih stanjih. Eksperimentalno je na tem področju v ospredju razvoj učinkovitih detektorjev za delce, ki se sprostijo pri določeni atomski reakciji. Podrobnosti o posameznih atomskih procesih študiramo z visokoločljivostno rentgensko spektroskopijo (HRXRS) in rentgensko absorpcijo (RA). Z RA izpopolnjujemo zbirko osnovnih podatkov o večelektronskih fotoekscitacijah ter njihovo kvantnomehansko interpretacijo. Začetne objave s področja žlahtnih plinov smo dopolnili s podatki za skupini elementov s in d, interpretacijo smo obogatili s primerjalnimi študijami sosednih dvojic žlahtni plin - alkalijska kovina. Po drugi strani smo dosedaj z visoko ločljivostjo izmerili ter najpodrobneje modelirali rentgenske spektre Mg in Si pri obstreljevanju s hitrimi ioni. V programu nas zanimajo molekule vodika (H2, pa tudi D2 in HD) ter procesi, ki jo vzbudijo v vibracijska stanja. S tem se aktivno vključujemo v reševanje problemov, katerih rešitev je pomembna za dosego kontrolirane fuzije (Euroatom). S strukturno analizo na višjem nivoju (EXAFS in XANES) načrtujemo izrazitejšo usmeritev v študij nanostruktur in nekaterih eksotičnih agregatnih stanj: neurejenih zlitin in kvazikristalov. Tanki sloji kovinskih in organskih materialov na podlagi polprevodnikov predstavljajo prototip nanostrukturiranih materialov z novimi optičnimi, transportnimi in magnetnimi lastnostmi, ki jih lahko raziskujemo na sinhrotronih najnovejše generacije. V programu so predvidene kombinirane raziskave kompleksnih sistemov z različnimi eksperimentalnimi metodami na žarkovnih linijah tržaškega sinhrotrona. Lastnosti materialov bomo raziskovali z meritvami notranjih magnetnih in električnih hiperfinih polj (Moessbauerjeva spektroskopija). Pozornost namenjamo lastnostim trdih prevlek v agresivnem okolju, magnetni ureditvi ultra tankih Langmuir-Blodgett filmov, poroznih železo-aluminijevih fosfatov, nanodelcem FePt, materialom za litijeve baterije in mineralom. Pomembnen del programa obsegata razvoj in aplikacija metod z ionskimi žarki (IBA metode) na različnih področjih znanosti - interdisciplinarnost. Dve metodi: Rutherfordovo povratno sipanje (RBS) ter detekcija prožno odrinjenih ionov (ERDA) temeljita na Coulombskem sipanju vpadnega iona na jedru atoma v snovi. Posebej uporabna je protonsko inducirana emisija rentgenskih žarkov (PIXE), kjer določamo koncentracijo elementov v snovi z opazovanjem karakterističnih rentgenskih žarkov, ki se izsevajo ob vzbuditvah notranjih lupin atomov ob preletu protona. Metode z ionskim žarkom uporabljamo za analize različnih vrst vzorcev, recimo za analize tankoplastnih struktur v polprevodnikih ter vzorcev aerosolov, nabranih v atmosferi. V Mikroanalitskem centru je mogoče delo s prostim ionskim žarkom na vzorcih, ki jih ni mogoče postaviti v vakuum, recimo nedestruktivno PIXE analizo arheoloških in umetniških objektov.
Pomen za razvoj znanosti
Preučevali smo razpadno shemo argona pri ionizaciji z elektroni energije 1 keV. V koincidenci smo opazovali Augerjeve elektrone, ki se izsevajo pri razpadu ene ali več vrzeli v lupini L in nabojno stanje argonovega iona, s katerim se konča razpad. Spektre smo posneli z 20-krat boljšo energijsko ločljivostjo od tiste, ki je bila na voljo prej: tako bistveno izboljšanje smo dosegli z novim konceptom eksperimenta – z uvedbo pulznega vzbujanja tarče. S koincidenčnimi poskusi na žarkovni liniji tržaškega sinhrotrona Elettra ter berlinskega sinhrotrona Bessy II smo neposredno merili življenske čase dvojno vzbujenih stanj helija, ki so velikostnega reda nekaj deset ps ter preučevali vpliv homogenega električnega polja na verjetnost za razpad, mejnik, ker pokaže, kako je moč meriti tako kratke razpadne čase v običajnem multi-bunch načinu delovanja sinhrotrona. V zvezi s helijem je bila odmevna prva uspešna teoretična analiza sipanja VUV svetlobe na heliju v močnem električnem polju. Pri tem smo uporabili metodo kompleksne rotacije, ki posega na področje nehermitskih operatorjev in išče koristne povezave za njihovo uporabo v kvantni mehaniki. Teoretično smo obdelali fenomen Youngove interference pri autoionizaciji molekul in s tem v zvezi predlagali poskus z molekulami vodika, ki so ga po naši napovedi uspešno izvedli francoski raziskovalci ter rezultat objavili v prestižni znanstveni reviji Physical Review Letters. V sodelovanju z madžarskimi raziskovalci smo kot prvi izmerili resonantni Augerjev pojav pri vzbujanju Ar z elektroni pri čemer smo zaradi vzbujanja z elektroni lahko opazovali efekt interference. Poleg pomembnih dosežkov skupine za rentgensko absorbcijo na osnovnem nivoju, kjer gre tudi za nekaj prvih metrološko natančnih določitev absolutnih absobcijski presekov z originalno zasnovanimi merilnimi celicami (Cs, I, K, Zn, Cd), se je skupina izkazala tudi na področju strukturnih raziskav (EXAFS, XANES), kjer so se izraziteje usmerili v študij nanostruktur in nekaterih eksotičnih agregatnih stanj: neurejenih zlitin, kvazikristalov ter okoljskih vzorcev. V tem programskem obdobju je skupina za visokoločljivo rentgensko fluorescenco, začela izvajati samostojne meritve na žarkovnih linijah evropskih sinhrotronov z lastnim, doma zasnovanim in izdelanim rentgenskim spektrometrom, ki je optimiziran za študij razredčenih vzorcev. Poleg lastnih poskusov na plinih smo izvajali tudi meritve RIXS za Mo, W, S, Ru v različnih trdnih in tekočih vzorcih, kar je tudi izjemno pomembno s stališča razvoja uporabnosti metode za raziskave materialov. Ta tehnika je namreč ena od redkih, s katero je mogoče preučevati valenčna stanja atomov globoko v materialu brez posebno skrbne priprave površin. Sinhrotronske raziskave površin so se v glavnem osredotočale na tanke sloje kovinskih in organskih materialov na podlagi iz polprevodnika, in potekajo v sodelovanju z žarkovno linijo ALOISA/HASPES ter laboratorijem TASC na tržaškem sinhrotronu Elettra. V zadnjem obdobju smo zasnovali in izdelali originalni spektrometer, s katerim merimo vibracijske porazdelitve molekul vodika in devterija ob prisotnosti različnih materialov. Delo je vpeto v povezavo EUROATOM, ki ga delno financira zaradi interesa raziskav robne plazme ob stenah fuzijskih generatorjev, v kateri vloga vibracijsko vzbujenih molekul vodika še ni pojasnjena. Meritve z ionskimi žarki (IBA metode), še posebej meritve s protonskim mikrožarkom, so v zadnjem programskem obdobju doživele razmah na področju problematik iz biologije, konkretno pri elementnem mapiranju na hitro zmrznjenih rastlinskih delov. Druge dejavnosti, ki smo jih razvijali, obsegajo izdelavo mikrostruktur (mikropetrijevke) ter študij aerosolov z ionskim (mikro)žarkom. Na področju razvoja novih tehnik je pomemben (nepredviden) dosežek prva postavitev konfokalne metode PIXE, s katero je mogoče meriti elementne koncentracije v vzorcih v treh dimenzijah.
Pomen za razvoj Slovenije
V sklopu raziskav EXAFS, XANES, RIXS, XPS z rentgenskimi žarki ter ionskih metod PIXE, RBS, ERDA, NRA skupaj z njihovimi mikro- različicami, omogočamo različnim slovenskim (in tujim) laboratorijem s področij materialov, geologije, sintezne kemije, farmakologije, biologije, vakuumske tehnike, raziskav okolja in ohranjanja kulturne dediščine dostop do moderne merilne tehnologije s sinhrotronsko svetlobo in ionskimi žarki. Meritve izvajamo v sinhrotronskih laboratorijih HASYLAB, ESRF, ELETTRA, BESSYII ter v Mikroanalitskem Centru IJS in pri tem uporabljamo velik del lastne eksperimentalne opreme. Doslej smo tako sodelovali pri razvoju več tehnološko pomembnih materialov, kot so npr. mikroporozni katalizatorji, supraprevodne in feroelektrične keramike, surfaktanti, zaščitne in samočistilne prevleke, nanostrukturni materiali in nekatere farmakološko pomembne makromolekule. Z intenzivno prisotnostjo na evropskih sinhrotronih ter uspešnimi obiski tujih raziskovalcev v Mikroanalitskem centru se krepi mednarodno sodelovanje. Kontinuirana prisotnost v mednarodnih centrih raziskav omogoča kvalitetno in kontinuirano delo, dostop do tujih znanj ter posredno prinaša ugled Sloveniji. Uveljavljena eksperimentalna skupina iz enega laboratorija sodeluje z uveljavljeno skupino teoretikov iz druge institucije: tako mednarodno delitev dela stalno srečujemo pri našem delu. Pogost dostop do sinhrotronov ter ionskega pospeševalnika je pomemben tudi s pedagoškega stališča zaradi seznanjanja študentov naravoslovja z množico različnih eksperimentalnih tehnik, ki so tu v uporabi. Vsebine iz področja sinhrotronskih merilnih tehnik in analitičnih metod s pospešenimi ioni so vključene v visokošolske programe na dodiplomskem in podiplomskem nivoju. Študentje imajo možnost pridobivanja izkušenj z neposrednim sodelovanjem pri meritvah ter analizah. Program nudi možnost za usposabljanje slovenskih raziskovalcev na področju uporabe sinhrotronske svetlobe v fiziki površin in novih materialov in s tem prenos znanja in visoke tehnologijo v domače raziskovalne institucije in v industrijo. Udeležba pri raziskavah v zvezi s fuzijo ter laserjem na proste elektrone načeloma omogoča stik z najnaprednejšimi tehnologijami, ki se uporabljajo pri konstrukciji tokamaka ITER ter izvirov FEL. Te tehnologije bodo v naslednji fazi uporabljene pri komercializaciji, hkrati pa nudijo moznosti za sprotni spin-off. Aktivno sodelujemo pri iskanju rešitev pri onesnaženju okolja s težkimi kovinami in prahom ter pri projektu ohranjanja dokumentov iz kulturne dediščine. Podobno študijo s prstjo, kot je tista iz Cornwalla (onesnaženje z As) smo začeli izvajati na območju Slovenije (Cd, Pb v Mežiški dolini). Sodelujemo na projektu analiz onesnaženja prsti s kovinami (Cu, Fe) v vinogradih na področju zahodne Slovenije in Furlanije, ki so osnova za razvoj uspešnih sanacijskih tehnik. V sodelovanju z Narodno in univerzitetno knjižnico v Ljubljani analiziramo razgradnjo celuloze v historičnih rokopisih zaradi korozivnih lastnosti železo galnih črnil. Pri metodiki vzorčevanja in določanju elementnih koncentracij z ionskim žarkom v aerosolih smo v preteklosti dosegli konkretne rezultate in predvidene so raziskave v zvezi s problemom prašenja znotraj bivanjskih in delovnih prostorov (delavnice, produkcijski obrati), kjer so dihalne obremenitve za ljudi velikokrat večje kot prostem. Razviti in uporabljati nameravamo prenosni XRF analizator, ki bo omogočal analize prahu in-situ in v realnem času. O rezultatih poročamo na javnih delavnicah, v delovnih okoljih ter v znanstvenih publikacijah. Iz posnetih elementnih kart na hitro zamrznjenih posameznih delov teh rastlin v sodelovanju z biologi odkrivamo ključne točke delovanja hipeakumulatornih procesov in preučujemo specifične lastnosti slovenskih kulturnih rastlin kot je ajda.
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Zaključno poročilo,
celotno poročilo na dLib.si
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
Zaključno poročilo,
celotno poročilo na dLib.si
