Avtor: Nejc Parkelj / Predvideni čas branja: 8 minut
Na Institutu “Jožef Stefan” je devet različnih odsekov, ki proučujejo različne veje fizike. Največji med njimi je Odsek F5, znotraj katerega zasledimo skupino za kvantne materiale, ki se ukvarja z raziskavami kvantnega magnetizma in superprevodnosti. V tej skupini raziskuje tudi Tilen Knaflič. Z njim smo se pogovarjali o njegovih začetkih na inštitutu, raziskovalnem delu, načinu dela v domačem in tujem laboratoriju in načrtih za prihodnost.
Kako se je začelo tvoje sodelovanje z laboratorijem?
Kot študent fizike sem iskal različne možnosti študentskega dela, ki bi bilo povezano s fiziko. V takratnem obdobju gospodarske krize takih zanimivih priložnosti ni bilo lahko dobiti. Povpraševal sem tudi na IJS, vendar mogoče preveč splošno na naslov info@ijs.si, saj nisem bil uspešen. Malo kasneje sem direktno kontaktiral profesorja Denisa Arčona na Odsek za fiziko trdne snovi (F5), ki mi je hitro odgovoril in me povabil na pogovor. Tam mi je predstavil laboratorij za elektronsko paramagnetno resonanco (EPR) in mi povedal s čim se ukvarjajo in kaj bi lahko jaz počel v okviru študentskega dela. Zadeva me je zanimala in dokaj kmalu sem že začel delati EPR meritve na vzorcih, ki so jih takrat raziskovali. To študentsko delo je bilo zaradi takratnih varčevalnih ukrepov sicer malo bolj omejeno in smo imeli določeno maksimalno število ur na mesec. Kljub temu sem bil hvaležen in vesel, da sem lahko delal nekaj, ker mi je zanimivo in za kar sem se izobraževal. Leto kasneje se je pojavila priložnost, da se redno zaposlim pri njih na nekem projektu, še eno leto kasneje pa sem pri profesorju Arčonu začel svoj doktorski študij kot mladi raziskovalec.
Si torej ves čas delal na Odseku F5?
Tako je, kar se dela tiče, sem dejansko ves čas na F5. Sem pa kot študent opravljal seminarje in študijsko prakso na F1 pri profesorju Antonu Ramšaku, ker sem se veliko zanimal za kvantno teorijo. Mi je pa eksperimentalna fizika kljub temu bolj pisana na kožo, saj je delo v laboratoriju dobra zmes vsega, teorije in prakse bi lahko rekli. Raziskave se ponavadi začnejo z dobro pripravljenim eksperimentom, po opravljenih meritvah pa je potrebna temeljita analiza dobljenih podatkov, na koncu pa je treba te rezultate še razložiti z obstoječo teorijo ali pa podkrepiti s kakšnimi izračuni. Pri eksperimentalnem delu zraven sodi tudi skrb za laboratorij in opremo, ki pogosto vključuje kakšna lažja fizična dela, popravila, prilagoditve in podobno. Pri teoriji pa je veliko možnosti za poglabljanje, odvisno od časa in potreb.
Koliko je pri delu teorije v primerjavi z eksperimentu?
Teorije je toliko, kot je potrebuješ, da razložiš oziroma podkrepiš rezultate tvojega eksperimenta. To ponavadi vključuje prebiranje knjig in znanstvenih člankov, ki vsebujejo teoretične rezultate in izračune, ki so relevantni za tvoj merjeni sistem. Svoje lastne teorije ne razvijam, se pa včasih sam lotim kakšnih izračunov, odvisno od zahtevnosti problema in potreb. Razmerje med teorijo in eksperimentov pri mojem delu je pogosto odvisno od samega sistema, ki ga merim. Včasih se da stvari hitro in enostavno razložiti, lahko pa je potrebno veliko več časa. Je pa vseeno praviloma tako, da za samo razumevanje in razlago dobljenih rezultatov eksperimenta potrebujem nekajkrat več časa, kot sem ga porabil za same meritve, ki pri EPR, če gre vse po planu, trajajo na časovni skali nekaj tednov.
S čim se trenutno ukvarjaš?
Raziskujem kvantni magnetizem v različnih nizkodimenzionalnih sistemih (2D, 1D). Izvor magnetizma v naravi je v osnovi kvantni pojav – magnetni moment elektrona oziroma njegov spin. Preprosto povedano, študiram kaj ti elektroni v določenem sistemu počno, kako interagirajo med sabo, kako čutijo svojo kristalno okolico. Pogosta vprašanja so ali obstaja magnetni red dolgega dosega (feromagnet, antiferomagnet), kakšen Hamiltonjan najbolje opiše sistem, kakšno je osnovno stanje, vzbuditve in podobno. Predvsem me zanimajo sistemi, kjer zaradi dominantnih kvantnih pojavov ne pride do klasičnega magnetnega urejanja. Pristop k iskanju odgovorov na ta vprašanja je v prvi vrsti eksperimentalen s pomočjo različnih tehnik magnetne resonance.
Če se izrazim malo poetično, lahko mogoče zadevo primerjam z raziskovanjem vesolja. Če želimo raziskati planet Mars, z raketo izstrelimo sondo do planeta, ta pa nam potem pošilja na zemljo podatkte z njenih instrumentov, o tem kaj tam vidi, kaj se na Marsu dogaja in podobno. Pri naših eksperimentih je princip raziskovanja v osnovi podoben, samo na bistveno manjših skalah. Pri jedrski magnetni resonanci (NMR) in EPR so naše sonde jedra atomov oziroma elektroni in nas že čakajo znotraj sistema, ki ga raziskujemo. Vse kar moramo storiti je, da se uglasimo na pravo frekvenco in jim prisluhnemo. Tako z različnimi eksperimenti magnetne resonance dobimo informacije o tem, kako magnetizem v sistemu čutijo izbrana jedra (NMR) oziroma elektroni (EPR). To nam da informacijo o magnetizmu v sistemu iz dveh različnih perspektiv. Poleg teh dveh tehnik, ki jih imamo v doma na IJS, pa pogosto uporabljamo tudi mionsko spinsko relaksacijo (μSR) in pa sipanje nevtronov. Tu pa vloge sond prevzamejo mioni oziroma nevtroni, ki jih vstavimo v vzorec, kjer potem s svojim magnetnim momentom čutijo magnetizem v sistemu in nam tako dajo dodatne unikatne informacije. Ti dve metodi sta pa tehnično veliko bolj zahtevni in potrebujeta pospeševalnike, s pomočjo katerih generiramo potrebne mione oziroma nevtrone. Tako je možno take eksperimente opravljati samo na nekaj lokacijah na svetu, za μSR recimo Združeno Kraljestvo, Švica, Kanada in Japonska.
Omenil si, da lahko eksperimente z mioni izvajajo le nekateri laboratoriji po svetu. Koliko je torej sodelovanja s tujino?
Za raziskovanje z mioni in nevtroni so potrebni veliki raziskovalni inštituti, z ustreznimi laboratoriji, ki jih pri nas ni. Te ustanove parkrat na leto objavijo razpise, na katere se lahko prijavimo s svojimi projekti. Če je projekt dovolj zanimiv, ga odobrijo in nam dodelijo čas na njihovih raziskovalnih napravah, kjer nato preučujemo svoje vzorce. Takega sodelovanja je v naši skupini veliko. Osebno sem šel tekom doktorata dvakrat na mionske meritve.
Imate tudi kaj bilateralnih projektov, pri katerih sodelujejo ekipe iz različnih laboratorijev in držav?
V naši skupini je sodelovanje z ekipami iz drugih držav skorajda stalnica, saj zelo pogosto dobimo vzorce različnih sistemov prav iz tujine. Prav tako pa so pogosti tudi različni projekti s strani Javne agencije za raziskovalno dejavnost Republike Slovenije podprte bilaterale, kjer sodelujemo ali pa smo sodelovali s kolegi iz Japonske, Hrvaške, Poljske in drugimi.
Torej je priložnosti v tujini veliko?
Zagotovo. Glavne priložnosti so recimo eksperimenti, ki jih doma ni mogoče izvajati. Poleg že omenjenih meritev z mioni in nevtroni, hodimo v tujino tudi na meritve EPR pri visokih magnetnih poljih (gostote magnetnega polja 16 tesla in več). Sam sem med svojim doktoratom tako šel na take meritve v Laboratorij za visoka magnetna polja na nemški Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf. Sodeloval in obiskal sem tudi kolege z Inštituta Max Planck v Dresdnu, ki so pripravili in karakterizirali vzorce, ki sem jih raziskoval v sklopu svojega doktorata. Poleg eksperimentov se udeležujemo tudi mednarodnih konferenc, kjer predstavljamo svoje delo in gradimo svojo mrežo poznanstev.
Koliko je pri tvojem delu interdisciplinarnosti?
Preučevanje vzorcev z EPR metodo je zelo koristno tudi za raziskovalce drugih področji, ne zgolj fizike. Tako pogosto na naših spektrometrih raziskujejo tudi kemiki in biologi, sodelujem tudi s farmacevti. Vedno bolj pa se EPR uporablja tudi v dediščinski znanosti.
Ima tvoje raziskovanje morda v prihodnje tudi potencial za uporabo na drugih področjih, recimo v medicini in industriji?
Elektronska paramagnetna resonanca je že kar stara, oziroma bolje rečeno, zrela tehnika, torej je že zelo dobro uveljavljena. Vedno je seveda možnost dodatnih izboljšav, digitalizacije itd. Se pa seveda najdejo tudi priložnosti, kjer EPR pride prav tudi v industriji in tudi takih sodelovanj smo imeli že kar nekaj, recimo v farmaciji. Obstaja tudi neke vrste slikanje, ki ga izvajajo z EPR, vendar pa o tem ne vem kaj dosti.
Kakšno je vzdušje v laboratoriju?
Vsi se zelo dobro razumemo in odlično sodelujemo. Vsak ti je pripravljen pomagati z nasveti in znanjem, če imaš kje kakšne težave. Tudi pri razumevanju teorije smo vsi odprti za pomoč in diskusije, ki pripomorejo k boljšemu razumevanju.
Kakšen je urnik dela v laboratoriju? Obsega zgolj običajnih osem ur ali je kdaj potrebno tudi dežurati ponoči?
Pri eksperimentalnem raziskovalnem delu je urnik zelo prilagodljiv in si ga v veliki meri lahko načrtuješ sam, oziroma ti ga določi tvoj eksperiment. Pogosto lahko to nanese skupaj tudi na več kot osem ur v dnevu. Zelo koristno je, da si v laboratoriju tekom dneva, ko so prisotni tudi kolegi, da si lahko izmenjamo mnenja, diskutiramo o rezultatih itd. Dežuranja ponoči pri nas ni. Eksperimente, ki zahtevajo da smo vsaj večino časa zraven, opravljamo tekom dneva, tisti ki pa lahko tečejo z neko mero avtomatike, pa lahko potekajo tudi čez noč. Kadar pa gremo na eksperimente v tujino, je pa po navadi urnik bolj intenziven, ker je treba maksimalno izkoristiti tisto malo časa, kar si ga dobil na voljo. To pa lahko tudi pomeni kakšno nočno izmeno. Ampak to nikoli ni težava, saj tak režim traja največ nekaj dni.
Kakšne so priložnosti za študente v laboratoriju?
O priložnostih piše veliko na spletni strani naše skupine za kvantne materiale (http://quantum.ijs.si), kjer si lahko preberete s čim vse se ukvarjamo, objavljene so tudi seminarske, diplomske in magistrske teme. Te so odlična vstopna točka, da se študenti spoznajo s tem kar delamo. Vselej pa lahko vprašajo, če je kakšna možnost za študentsko delo ali pa prosto mesto za mladega raziskovalca. Vedno pa se lahko tudi oglasijo na obisku, če jih kaj zanima ali pa bi si radi ogledali laboratorije.
Za študentsko delo v laboratoriju za EPR je koristno, da vedo nekaj osnov o magnetni resonanci. Tipično se najprej spoznajo s spektrometrom, kako deluje in kako izvajati eksperiment. Dobro je, da študent zna prisluhniti in da upošteva navodila. V principu je EPR tehnika enostavna za razumeti. Vsebuje pa tudi nekaj malenkosti, ki gredo lahko narobe, če oseba ni previdna in ni poslušala navodil. Vprašanja in pomisleki so vedno dobrodošli.
V začetku bo študent dobil nekaj za meriti in med opravljanjem meritev se bo imel priložnost seznaniti tudi s teorijo v ozadju. Poleg meritev potem pride na vrsto tudi obdelava rezultatov in spektrov, ki se jih pri meritvi dobi. Želimo recimo ugotoviti g-faktor vzorca, intenziteto spektra, širino črte (pogosto tudi temperaturno odvisnost teh parametrov), za kar imamo tudi ustrezna programska orodja. Delo je skratka zelo raznoliko.
Kakšni so tvoji plani za prihodnost?
V bližnji prihodnosti imam namen iti na podoktorsko izpopolnjevanje v tujino, potem pa nadajevati z delom tukaj na IJS v skupini za kvantne materiale. Do takrat pa narediti čim več dobrih in zanimivih eksperimentov ter objav v znanstvenih revijah. Ves ta čas pa seveda poteka učenje, ki se dejansko nikoli zares ne konča.