Electric field control of magnetism in hydrid ferromagnetic / ferroelectric materials

Väisälän palkinnon 2012 saaja.

Some defects in two-dimensional spin-1/2 Heisenberg antiferromagnets: a numerical study of magnetic effects

En del av de intressantaste fenomenen inom dagens materialfysik uppstår ur ett intrikat samspel mellan myriader av elektroner. Högtemperatursupraledare är det mest berömda exemplet. Varken klassiska teorier eller modeller där elektronerna är oberoende av varandra kan förklara de häpnadsväckande effekterna i de starkt korrelerade elektronsystemen. I vissa kopparoxider, till exempel La2CuO4, är det känt att valenselektronerna till följd av en stark ömsesidig växelverkan lokaliseras en och en till kopparatomerna i föreningens CuO2 plan. Laddningarnas inneboende magnetiska moment—spinnet—får då en avgörande roll för materialets elektriska och magnetiska egenskaper, vilka i exemplets fall kan beskrivas med Heisenbergmodellen som är den grundläggande teoretiska modellen för mikroskopisk magnetism. Men exakt varför föreningarna kan bli supraledande då de dopas med överskottsladdningar är än så länge en obesvarad fråga. Min avhandling undersöker orenheters inverkan på Heisenbergmodellens magnetiska egenskaper—ett problem av både experimentell och teoretisk relevans. En etablerad numerisk metod har använts—en kvantmekanisk Monte Carlo teknik—för att utföra omfattande datorsimuleringar av den matematiska modellen på två dedikerade Linux datorkluster. Arbetet hör till området beräkningsfysik. De teoretiska modellerna för starkt korrelerade elektronsystem, däribland Heisenbergmodellen, är ytterst invecklade matematiskt sett och de kan inte lösas exakt. Analytiska utredningar bygger för det mesta på antaganden och förenklingar vars inverkningar på slutresultatet är ofta oklara. I det avseende kan numeriska studier vara exakta, det vill säga de kan behandla modellerna som de är. Oftast behövs bägge tillvägagångssätten. Den röda tråden i arbetet har varit att numeriskt testa vissa högaktuella analytiska förutsägelser rörande effekterna av orenheter i Heisenbergmodellen. En del av dem har vi på basen av mycket noggranna data kunnat bekräfta. Men våra resultat har också påvisat felaktigheter i de analytiska prognoserna som sedermera delvis reviderats. En del av avhandlingens numeriska upptäckter har i sin tur stimulerat till helt nya teoretiska studier.

Saostuman esto prosessiputken pinnalle

Työn tarkoituksena oli tutkia kirjallisuudessa esitettyjen menetelmien soveltuvuutta estää kalsiumkarbonaatin saostuminen PCC – prosessissa paperikonelinjan massansyöttöputkessa. Menetelmien heikkoudet ja toimivuudet arvioitiin lähdetietojen perusteella, joiden perusteella tehtiin johtopäätelmiä niiden toimivuudesta prosessissa ja käytettävyydestä kalsiumkarbonaattisaostuman muodostumiseen. Kirjallisuusselvitys osoittaa, että saostuma voidaan estää kemiallisesti ja sähkökemiallisesti sekä modifioimalla materiaalipintaa. Lisäksi sen muodostuminen voidaan estää ultraääniaaltojen avulla sekä indusoimalla mahdolliseen saostuskohtaan magneetti- tai sähkökenttä. Kokeellisessa osassa keskityttiin kirjallisuuden perusteella tutkimaan kalsiumkarbonaatin saostumista kaupallisilla menetelmillä. Tutkimuksissa käytettiin erilaisia pinnoitemateriaaleja, ultraääniaaltoja sekä magneettikenttää että liuossähkökemiaa. Näiden lisäksi tutkittiin saostumisen kehittymistä putkipinnalle ajan funktiona. Kokeellisten tulosten perusteella kirjallisuudessa esitetyistä menetelmistä ei suoraan mikään sovellu sellaisenaan tutkitussa prosessissa saostuman muodostumisen estoon. Koeparametrien optimointi muuttamalla tunnettuja parametreja prosessitilanteeseen paransi kalsiumkarbonaatin liukoisuutta. Tämän tutkimuksen tuloksena löytyi menetelmäkuvaus, jolla saostumien muodostuminen putkipinnoille voidaan estää.

Rautamalmin rikastus

Rautamalmin rikastuksessa hyödynnetään rautamineraalin ja sivukiven välisiä ominaisuuseroja, kuten tiheys-, magneettisuus- ja pintaominaisuuseroja. Yleisimmät rikastusmenetelmät ovat painovoimaerotus, magneettinen erotus ja flotaatio. Rikastusprosessi koostuu lisäksi malmin esikäsittelystä ja rikastelietteen vedenpoistosta. Rikastuksen tehokkuuteen vaikuttavat merkittävästi arvomineraalien jakautuminen malmissa, rikastuksessa käytetyt kemikaalit ja laiteominaisuudet. Näiden kehittämiseksi on tehty runsaasti tutkimuksia, joiden perusteella on voitu määritellä tietyt optimit erilaisille rikastusmenetelmille. Tässä työssä keskitytään rikastusprosessiin ja erilaisiin rikastusmenetelmiin ja siihen, kuinka ne sopivat ominaisuuksiltaan erilaisille rautamineraaleille. Lisäksi työssä otetaan huomioon rikastusprosessissa syntyvä rikastushiekka sekä sen prosessointi ja mahdollinen hyödyntäminen.

Magnetic properties of multi-walled nanotubes on polysterene substrate

Nanotubes are one of the most perspective materials in modern nanotechologies. It makes present investigation very actual. In this work magnetic properties of multi-walled nanotubes on polystyrene substrate are investigated by using quantum magnetometer SQUID. Main purpose was to obtain magnetic field and temperature dependences of magnetization and to compare them to existing theoretical models of magnetism in carbon-bases structures. During data analysis a mathematical algorithm for obtained data filtration was developed because measurement with quantum magnetometer assume big missives of number data, which contain accidental errors. Nature of errors is drift of SQUID signal, errors of different parts of measurement station. Nanotube samples on polystyrene substrate were studied with help of atomic force microscope. On the surface traces of nanotube were found contours, which were oriented in horizontal plane. This feature was caused by rolling method for samples. Detailed comparison of obtained dependences with information of other researches on this topic allows to obtain some conclusions about nature of magnetism in the samples. It emphasizes importance and actuality of this scientific work.

Hyperfine interactions in the new Fe-based superconducting structures and related magnetic phases

This thesis is devoted to the study of the hyperfine properties in iron-based superconductors and the synthesis of these compounds and related phases. During this work polycrystalline chalcogenide samples with stoichiometry 1:1 (FeTe1-χSχ, FeSe1-x) and pnictide samples with stoichiometry 1:2:2 (BaFe2(As1-χPχ)2, EuFe2(As1-x Px)2) were synthesized by solid-state reaction methods in vacuum and in a protecting Ar atmosphere. In several cases post-annealing in oxygen atmosphere was employed. The purity and superconducting properties of the obtained samples were checked with X-ray diffraction, SQUID and resistivity measurements. For studies of the magnetic properties of the investigated samples Mössbauer spectroscopy was used. Using low-temperature measurements around Tc and various values of the source velocity the hyperfine interactions were obtained and the magnetic and structural properties in the normal and superconducting states could be studied. Mössbauer measurements together with XRD characterization were also used for the detection of impurity phases. DFT calculations were used for the theoretical study of Mössbauer parameters for pnictide-based ᴻsamples BaFe2(As1-xPx)2 and EuFe2(As1-xPx)2.

Magnetic properties of defective graphene

In this thesis, the influence of the functionalization of graphene and graphite on their magnetic properties was investigated. The functionalization was performed by covalent attaching of a phenyl groups with three different radicals (4-bromoaniline, 4-chloroaniline and 4-nitroaniline). Magnetic properties were measured by SQUID magnetometer. Both pristine graphite and graphene showed strong diamagnetic behavior. For good quality graphite, diamagnetism was found to be temperature-dependent. All samples demonstrated noticeable paramagnetic contribution below 50 K. According to fitting experimental results with Brillouin function and Curie law, it was shown that paramagnetism is provided by small clusters of spins (superparamagnetic behavior). Moreover, the clusters size and spin concentrations were calculated. For the samples functionalized with nitroaniline the antiferromagnetic transition around 120 K was observed. To explain this behavior, a simple model was proposed. Additional analysis of the graphene quality, structure and composition of the samples was carried out by HRTEM, EDS mapping, Raman spectroscopy and X-ray diffraction techniques.