Výskum frustrovaných systémov z pohľadu manželov Jurčišinovcov

Cenu SAV za výsledky vedeckovýskumnej práce za rok 2019 získali RNDr. Marián Jurčišin, PhD., a RNDr. Eva Jurčišinová, PhD., z oddelenia teoretickej fyziky Ústavu experimentálnej fyziky SAV. Manželia. Téma ich práce môže byť (zveličene) dôvodom pre frustráciu nejedného laika. Cenu totiž získali za „súbor výsledkov dosiahnutých v oblasti štúdia termodynamických vlastností frustrovaných magnetických systémov“.

Prvá otázka bola teda priam zákonitá. Ako vôbec môžu byť magnetické systémy frustrované a čo to má spoločné s ľudskou frustráciou? Ba dokonca, keď sú systémy, ako hovorí názov, termodynamické, ako môžu byť frustrované? Manželia-vedci sa len za počítačom pousmiali a dali sa do vysvetľovania.

„Toto je výborná otázka. Človek sa obyčajne cíti frustrovaný, ak nedokáže súčasne uspokojiť alebo naplniť rôzne, ale rovnako dôležité potreby, pretože si navzájom odporujú. Magnetické frustrované systémy majú veľmi podobný problém. Už len pre charakter vnútorných interakcií alebo pre geometrickú štruktúru kryštálovej mriežky dochádza ku konfliktom pri magnetickom usporiadaní, preto potom nedokážu vytvoriť jednoznačné usporiadanie svojich základných stavov, a teda sú – frustrované,“ opisuje Marián Jurčišin správanie magnetických systémov. Naopak, týchto usporiadaní s najnižšou energiou existuje veľmi veľa, a preto tiež hovoríme, že tieto stavy sú vysoko degenerované, objasňuje ďalej.

„A práve existencia týchto vysoko degenerovaných základných stavov je charakteristickým znakom prítomnej magnetickej frustrácie, ktorá je zodpovedná za netriviálne termodynamické vlastnosti pozorované v magnetických frustrovaných materiáloch.“ Iným slovom a veľmi laicky – magneticky frustrované materiály sa správajú nezvyklo a netradične.  Zrejme preto sú aj predmetom mnohých výskumných projektov, v Ústave experimentálnej fyziky SAV pracujú vedci na niekoľkých. Je to teda niečo „extra“, keď je tam toľko projektov tohto zamerania?

„Magnetické frustrované materiály sa intenzívne experimentálne, ako aj teoreticky študujú práve pre ich zaujímavé jedinečné vlastnosti, ktoré nie sú pozorované v žiadnych iných magnetických systémoch,“ zdôvodňuje záujem o tieto systémy Eva Jurčišinová. Práve snaha o hlbšie pochopenie týchto jedinečných vlastností frustrovaných magnetických systémov na fundamentálnej, základnej teoretickej úrovni bola a stále je hlavným dôvodom záujmu vedcov o ich detailné štúdium.

„Naším cieľom je pokúsiť sa teoreticky opísať a vysvetliť experimentálne merané termodynamické vlastnosti frustrovaných magnetických materiálov. Ako príklad môže poslúžiť dobre známy experimentálny fakt anomálneho správania sa mernej tepelnej kapacity, teda existencie viacerých maxím v jej teplotnej závislosti,“ objasňuje E. Jurčišinová. V tejto súvislosti sa manželom napríklad podarilo nájsť priamy vzťah medzi maximálnym počtom týchto maxím v správaní sa mernej tepelnej kapacity a parametrickým priestorom modelu. „Na základe získaných výsledkov vieme teoreticky vysvetliť, nielen prečo takáto viacmaximová štruktúra v teplotnom správaní sa mernej tepelnej kapacity vzniká a s čím jej vznik súvisí, ale chápeme aj dôvod, prečo jednotlivé maximá vôbec existujú a tým vieme aj predpovedať, kde a aký počet maxím pri meraní mernej tepelnej kapacity očakávať,“ zdôrazňuje vedkyňa.

Práve tieto zistenia môžu pomôcť pri praktickom využití výskumu. Frustrované magnetické materiály totiž výrazne reagujú na prítomnosť magnetického poľa. „Už spomínaná merná tepelná kapacita môže vykazovať výrazné zmeny pri zmene magnetického poľa,“ hovorí M. Jurčišin. Takémuto javu sa hovorí magnetokalorický jav a má praktické využitie napríklad pri adiabatickom, teda bez výmeny tepla s okolím, (de)magnetizačnom chladení do veľmi nízkych teplôt. Takéto chladenie by mohlo byť potenciálnou veľmi efektívnou alternatívou klasického chladenia. „Efektivita adiabatického chladenia sa však významne líši pre rôzne materiály s rôznou štruktúrou a dosahuje sa pri rôznych hodnotách magnetických polí,“ upozorňuje vedec. „Našou snahou v tomto smere bolo opísať, kde sa dá čakávať najefektívnejšie chladenie, teda kedy veľmi malá zmena magnetického poľa vyvolá čo najväčšiu zmenu teploty systému do čo najnižších teplôt.“

Manželia-vedci sa okrem toho pri výskume snažili pochopiť a vysvetliť, akým spôsobom je možné moderovať oblasti hodnôt magnetického poľa s najefektívnejším chladením, z akých počiatočných stavov sa najrýchlejšie dosahuje veľmi nízka teplota a naopak, ktoré počiatočné stavy vôbec nevedú k znižovaniu teploty. A na čo to všetko môže poslúžiť?

„Takéto teoretické štúdium je dôležité, aby sa následne mohol materiálový výskum sústrediť na hľadanie potenciálnych kandidátov, ktorí by dosahovali najvyššiu efektivitu pri dosiahnuteľných intenzitách magnetického poľa, pri izbových teplotách počiatočného stavu a v neposlednom rade, ktorých výroba by bola cenovo výhodná a ekologicky nezaťažujúca,“ vysvetľuje M. Jurčišin a manželka prikyvuje. Súzvuk je jasný. Manželia sa dokonca dopĺňajú aj v rámci vzdelania. Jeden partner má fyzikálne, druhý matematické. A ako svorne hovoria, ich manželská spolupráca v práci je tak nielen veľmi dobrá, ale aj produktívna.

„Je potrebné povedať, že tým, že sme manželia, a teda spolu prirodzene trávime všetok čas, mnohé problémy dokážeme analyzovať a riešiť takpovediac ´za pochodu´,“ usmejú sa a potvrdia, že je skutočne veľmi ťažké nájsť miesto, kam si prácu so sebou nenosia, zvlášť, keď pre svoj výskum nepotrebujú veľké laboratóriá. „Naša práca – výskum, je taká naša všadeprítomná prirodzená súčasť.“

Najvyššie vedecké ocenenie SAV berú manželia ako obrovské zadosťučinenie. „Veľmi si cenu vážime,“ zhodujú sa. „Okrem toho to určite vnímame aj ako veľké povzbudenie do ďalšej vedeckej práce.“ Neláka ich teda zahraničie? Ústav experimentálnej fyziky SAV je špička, domovský ústav je vynikajúci vo svojom vedeckom svete, netreba ísť „ešte vyššie“? „Obaja sme v minulosti už dlhodobo pôsobili v zahraničí, keďže sme pracovali v medzinárodnom Spojenom ústave jadrových výskumov v Dubne v Ruskej federácii, pričom vedecké kontakty sa snažíme doteraz udržiavať v rámci krátkodobých pracovných pobytov. Momentálne sme úplne spokojní s vytvorenými pracovnými podmienkami na Oddelení teoretickej fyziky nášho materského ústavu, ktorý určite považujeme za jeden z najlepších v štruktúre SAV,“ dodajú a hrdosť na košický ústav počuje aj laik.

 

Prevzaté z Aktuality SAV (14.8.2020)

Text: Andrea Nozdrovická

Foto: Katarína Čižmáriková, Katarína Gáliková