 |
Correlated electrons in confined molecular systems
|
Help 
Print 
|
Here you can view and search the projects funded by NKFI since 2004
Back »
|
| |
Details of project |
|
|
| Identifier |
118012 |
| Type |
SNN |
| Principal investigator |
Kamarás, Katalin |
| Title in Hungarian |
Korrelált elektronok bezárt molekuláris rendszerekben |
| Title in English |
Correlated electrons in confined molecular systems |
| Keywords in Hungarian |
fullerének, nanocsövek, Jahn-Teller torzulás, Mott-átmenet |
| Keywords in English |
fullerenes, nanotubes, Jahn-Teller distortion, Mott transition |
| Discipline |
| Physics (Council of Physical Sciences) | 100 % | | Ortelius classification: Solid state physics |
|
| Panel |
Physics 1 |
| Department or equivalent |
Experimental Solid State Physics Department (Wigner Research Centre for Physics) |
| Participants |
Cadena, Ana Cristina
Datz, Dániel
Németh, Gergely
Pekker, Áron
Pergerné Klupp, Gyöngyi
Tóháti, Hajnalka Mária
|
| Starting date |
2016-11-01 |
| Closing date |
2021-10-31 |
| Funding (in million HUF) |
30.777 |
| FTE (full time equivalent) |
11.09 |
| state |
closed project |
Summary in Hungarian A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.
Kutatási együttműködést tervezünk a budpesti MTA Wigner Fizikai Kutatóközpont és a ljubljanai “Jožef Stefan” Intézet között, nanoméretű tartályokba bezárt, könnyű elemekből álló molekuláris rendszerek vizsgálatára, amelyekben az elektronok közti korreláció számottevő. Az alacsony dimenziós tartályok szén és bórnitrid nanocsövek, a betöltött molekulák pedig poliaromás szénhidrogének és fullerének. Abból a célból, hogy nemkonvencionális mágnességet és szupravezetést indukáljunk ezekben a hibrid szerkezetekben, alkálifémekkel történő adalékolást alkalmazunk. A szerkezeti és elektronikus tulajdonságok további hangolása érhető el távtartóként működő semleges molekulák egyidejű interkalálásával. Az aktív molekuláris építőkövek közti kölcsönhatást a nanocsövek átmérője, a molekulák közti távolság (melyet többek között az ellenionok és a távtartók mérete határoz meg) és termodinamikai paraméterek, mint hőmérséklet, nyomás és mágneses tér szabályozzák. Ezeknek a paramétereknek a függvényében számos szilárd fázis hozható létre Mott-szigetelőtől szupravezetőig, és ezeket a fázisokat vizsgáljuk egymást kiegészítő módszerekkel: optikai spektroszkópiával Budapesten és mágneses rezonanciával Ljubljanaban. A közös kutatás eredményeként új állapotok felfedezését, új, egzotikus (nano)anyagok kifejlesztését, és a bezárt molekuláris (nano)szilárdtestek szerkezeti és elektronikus tulajdonságai közti összefüggések mélyebb megértését várjuk.
Mi a kutatás alapkérdése?
Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek.
A projekt célja annak meghatározása, hogyan alakulnak ki elektronok közti korrelációk szerves molekuláris szilárdtestekben, ahol a molekulák bezárt helyzetben vannak és az alacsony dimenziós és véges méret-effektusok dominálnak. A fulleridek és a poliaromás szénhidrogének sóinak ismert tulajdonságaiból indulunk ki, melyek a szigetelőktől a fémekig és szupravezetőkig terjednek, és hasonló szerkezeteket alakítunk ki szén és bórnitrid nanocsövek belsejében. Az azonos mintákon végzett párhuzamos kísérletek eredményeként töltés- és spindinamikát határozunk meg különböző hossz- és időskálákon, amiből az ellenion méretének, a dimenziónak, és a tartályok elektronszerkezetének szerepére következtetünk. A mérések alapján visszacsatolás történik a szintézis felé. A következő kérdéseket tervezzük megválaszolni:
• Előfordul-e Mott-átalakulás egydimenziós bezárt térben? Ha igen, annak paraméterei hogyan viszonyulnak a háromdimenziós kristályokéhoz?
• Hogyan befolyásolja az elektronátadás a molekuláris szimmetriát bezárt rendszerekben? A különböző torzult molekuláris konformációk dinamikus egymásba alakulása milyen időskálán történik?
• Mik a fémes vezetés és/vagy szupravezetés feltételei? Milyen következtetések vonhatók le a töltés- és spindinamika vizsgálatából a vezetés mechanizmusára nézve?
Mi a kutatás jelentősége?
Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának!
A kutatás szintézisközpontú, célja új funkciókkal rendelkező anyagok előállítása kis méretben. Egy olyan anyagcsalád előállítását tervezzük, ahol szerves molekulák és elektrondonorként működő fématomok kölcsönhatása kollektív elektronrendszerrel rendelkező szilárd testet eredményez: ez a szilárd test azonban két dimenzióban a molekuláris méretskálához közeli méretbe van bezárva, és csak egy irányban kiterjedt. Ilyen jelenségeket elméleti és kísérleti módszerekkel is széles körben tanulmányoztak; ezek kombinációja a nanoszerkezetű anyagok természetének alaposabb megismerését ígéri.
Bár a kutatás elsődleges célja a nanoskálán történő egzotikus töltés- és spintranszporttal rendelkező új anyagfajtákról való tudásunk kiterjesztése, olyan eredményeket is várunk, amelyek a nanotechnológiában alkalmazhatók. Szigetelő/fémes/szupravezető jellegű vezetékeket állítunk elő vezető vagy szigetelő borítással: ezeket úgy tekinthetjük, mint nanoáramkörök összekötő elemeit. További érdekesség, hogy ezeknek a vezetékeknek a tulajdonságai külső körülményektől, mint hőmérséklet vagy nyomás, függenek és ezekkel szabályozhatók, ami kapcsolók kifejlesztéséhez vezethet.
A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára
Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára.
Mi történik, ha kis szerves molekulákat egy néhány nanométeres méretű csőbe töltünk, és az így kialakult szerkezethez elektronokat adunk? Ott maradnak-e az elektronok a molekulákon, mint a szervetlen sók atomjain, vagy a molekulatörzsek között vándorolnak, mint a fémekben? Elképzelhető egy köztes állapot, ahol az elektronok átugrálnak a molekulák között, mindegyiken véges időt töltve? Lehetséges megfigyelni ezeknek a töltéshordozóknak a mozgását? A választ két módszer adja meg: az optikai spektroszkópia és a mágneses rezonancia. Előbbi a töltések mozgását, utóbbi az elektronspinek dinamikáját detektálja. A kutatás során szén és bórnitrid nanocsövekbe töltött fullerénekből, illetve lapos aromás szénhidrogénekből álló hibrid szerkezeteket állítunk elő Budapesten, tulajdonságaikat egyszerre vizsgáljuk Budapesten és Ljubljanaban, az eredményeket összehasonlítjuk és ezek alapján új irányokat jelölünk ki az elektromos és mágneses tulajdonságok optimalizálása céljából. Ebből a munkából olyan új nanoszerkezetű anyagok várhatók, amelyeket nanoelektronikában, nanofotonikában és nanomágnességben lehet felhasználni.
| Summary Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
We propose a collaborative research between the Wigner Research Centre for Physics, Budapest and the partner Institute “Jožef Stefan”, Ljubljana on new materials with correlated electrons in confined light-element molecular systems. The molecules to be confined to low-dimensional containers (i.e. carbon and boron nitride nanotubes) are polyaromatic hydrocarbons and fullerenes. In order to search for unconventional magnetism and superconductivity in these hybrid structures, charge doping via alkali metal intercalation will be tried. Moreover, additional structural/electronic properties tuning will be achieved with the co-intercalation of neutral molecules acting as spacers. Interactions between electrons of active molecular building blocks will be controlled by the diameter of the nanotubes, the intermolecular distances (e.g. defined by the size of the counter-ions and spacers), and the thermodynamic parameters such as temperature, pressure or magnetic field. Several condensed phases, ranging from Mott insulator to superconductor, are anticipated at various constellations of these parameters, and these will be followed by complementary optical spectroscopy in Budapest and magnetic resonance studies in Ljubljana. From the collaborative effort we expect the discoveries of new states of matter, development of new exotic (nano)materials and further advances in the understanding of structure-electronic property relationships in confined molecular-based (nano)solids.
What is the major research question?
Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments.
The goal of the project is to determine how electron correlations develop in organic molecular solids where the molecules are confined and low-dimensional and finite-size effects prevail. We start from the known properties of fullerides and polyaromatic hydrocarbon salts ranging from insulator to metal and superconductor, and prepare analogous structures inside carbon and boron nitride nanotubes. Charge and spin dynamics will be determined simultaneously at different time and length scales and from the results, the role of counterion size, dimensionality, diameter and electronic structure of the container will be deduced. Based on the measurements, feedback will be given to synthesis. The questions addressed are:
• Does the Mott transition occur in one dimensional confined spaces? If yes, how do the parameters relate to those in three-dimensional crystals?
• How is molecular symmetry and dynamics affected by electron transfer under encapsulated conditions? What is the time scale of dynamical interconversion of various distorted molecular conformations?
• What are the conditions for metallic conduction and/or superconductivity? What can be deduced from spin and charge dynamic observations regarding the mechanism of conduction?
What is the significance of the research?
Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field.
The research is synthesis-driven aimed at materials with new functionalities, on a reduced size scale. We plan to prepare a series of materials where the interactions between organic molecules and electron donating metal atoms produce a solid phase with a collective electron system; this solid is, however, confined in two dimensions close to molecular size scale, extending only into one dimension. These phenomena have been widely studied both experimentally and theoretically; their combination will lead to novel insights into the nature of nanostructured matter.
Although the primary goal is to expand our knowledge about possible states of matter with exotic charge and spin transport properties on the nanoscale, we expect outcomes directly applicable to nanotechnology. We will prepare insulating/metallic/superconducting wire-like structures in conducting or insulating shells; these can be regarded as connecting elements in nanocircuits. Moreover, the properties of these wires depend on external conditions as temperature or pressure, and can be also controlled by these parameters, resulting in switching behavior.
Summary and aims of the research for the public
Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others.
What happens when we fill small organic molecules into a nanometer-size tube, and add electrons to the structure developed inside? Will the electrons stay on the molecules, as in inorganic salts, or travel between the molecular cores as in metals? Can an intermediate state occur where the electrons hop between molecules, spending a finite time on each? Is it possible to observe the motion of these charge carriers? The answer will be given by optical spectroscopy which detects the motion of charge and magnetic resonance, which detects the dynamics of the electron spin. Hybrid systems consisting of fullerenes (buckyballs) and flat aromatic hydrocarbon molecules filled into carbon and boron nitride nanotubes will be prepared in Budapest, their properties investigated in Budapest and Ljubljana, the results discussed and new avenues planned for optimization of electrical and magnetic properties. New nanoscale materials will grow out of this combined effort, to be used in nanoelectronics, nanophotonics and nanomagnetism.
|
|
|
|
|
|
|
|
| |
List of publications |
|
|
| Datz D, Németh G, Tóháti HM, Pekker Á, Kamarás K: High-Resolution Nanospectroscopy of Boron Nitride Nanotubes, PHYS STAT SOL B BASIC RES 254: (11), 2017 | | Németh G, Datz D, Tóháti HM, Pekker Á, Otsuka K, Inoue T, Maruyama S, Kamarás K: Nanoscale Characterization of Individual Horizontally Aligned Single-Walled Carbon Nanotubes, PHYS STAT SOL B BASIC RES 254: (11), 2017 | | Datz D, Németh G, Pekker Á, Walker KE, Rance G, Khlobystov AN, Kamarás K: Nano-spectroscopy of phonon-polariton modes in boron nitride nanostructures, 33rd European Conference on Surface Science, Szeged, Hungary, 2017 | | Horváth J: Szénalapú nanoszerkezetek vizsgálata infravörös spektroszkópiával, Budapest University of Technology and Economics, 2017 | | Datz D, Németh G, Tóháti HM, Pekker Á, Kamarás K: High-Resolution Nanospectroscopy of Boron Nitride Nanotubes, PHYS STAT SOL B BASIC RES 254, 1700277-1-4, 2017 | | Németh G, Datz D, Tóháti HM, Pekker Á, Otsuka K, Inoue T, Maruyama S, Kamarás K: Nanoscale Characterization of Individual Horizontally Aligned Single-Walled Carbon Nanotubes, PHYS STAT SOL B BASIC RES 254, 1700433-1-4, 2017 | | G. Csősz, B.G. Márkus, A. Jánossy, N.M. Nemes, F. Murányi, G. Klupp, K. Kamarás, V.G. Kogan, S.L. Bud’ko, P.C. Canfield, F. Simon: Giant microwave absorption in fine powders of superconductors, Sci. Rep. 8, 11480-1-9, 2018 | | B.G. Márkus, G. Csősz, O. Sági, B. Gyüre-Garami, V. Lloret, S. Wild, G. Abellán, N.M. Nemes, G. Klupp, K. Kamarás, A. Hirsch, F. Hauke, F. Simon: Electronic properties of air sensitive nanomaterials probed with microwave impedance measurements, Phys. Stat. Sol. (b) 255, 1800250-1-7, 2018 | | D. Beke, A. Fučiková, T.Z. Jánosi, G. Károlyházi, B. Somogyi, S. Lenk, O. Krafcsik, Zs. Czigány, J. Erostyák, K. Kamarás, J. Valenta, A. Gali: Direct observation of transition from solid-state to molecular-like optical properties in ultrasmall silicon carbide nanoparticles, J. Phys. Chem. C 122, 26713-26721, 2018 | | Németh G., Datz D., Pekker Á., Saito T., Domanov O., Shiozawa H., Lenk S., Pécz B., Koppa P., Kamarás K.: Near-field infrared microscopy of nanometer-sized nickel clusters inside single-walled carbon nanotubes, RSC ADVANCES 9: (59) pp. 34120-34124., 2019 | | G. Németh, K. Otsuka, D. Datz, Á. Pekker, S. Maruyama, F. Borondics, K. Kamarás: Direct visualization of ultrastrong coupling between Luttinger liquid plasmons and phonon polaritons, Nano Letters, under 2nd review, 2022 | | Károlyházy G., Beke D., Zalka D., Lenk S., Krafcsik O., Kamarás K., Gali Á.: Novel method for electroless etching of 6H–SiC, NANOMATERIALS 10: (3) 538, 2020 | | Cadena A., Botka B., Székely E., Kamarás K.: Encapsulation of Sexithiophene Molecules in Single-Walled Carbon Nanotubes Using Supercritical CO2 at Low Temperature, PHYSICA STATUS SOLIDI B-BASIC RESEARCH 257: p. AiP., 2020 | | D. Datz, G. Németh, Á. Pekker, K. Kamarás: Polaritonic enhancement of near-field scattering of small molecules encapsulated in boron nitride nanotubes, ArXiv 2008.06521, 2020 | | Földes D., Kováts É., Bortel G., Kamarás K., Tarczay G., Jakab E., Pekker S.: Preparation and characterization of a new chiral metal-organic framework with spiranes, Journal of molecular structure, 2022 | | Fogaca L.A., Kováts É., Németh G., Kamarás K., Béres K.A., Németh P., Petruševski V., Bereczki L., Holló B.B., Sajó I.E., Klébert S., Farkas A., Szilágyi I.M., Kótai L.: Solid-Phase Quasi-Intramolecular Redox Reaction of [Ag(NH3)2]MnO4: An Easy Way to Prepare Pure AgMnO2, INORGANIC CHEMISTRY 60: (6) pp. 3749-3760., 2021 | | Bereczki L, Fogaca LA, Durvanger Z, Harmat V, Kamaras K, Nemeth G, Hollo BB, Petrusevski VM, Bodis E, Farkas A, Szilagyi IM, Kotai L: Dynamic disorder in the high-temperature polymorph of bis[diamminesilver(I)] sulfate-reasons and consequences of simultaneous ammonia release from two different polymorphs, JOURNAL OF COORDINATION CHEMISTRY 74: (13) pp. 2144-2162., 2021 | | D. Datz, G. Németh, Á. Pekker, K. Kamarás: Polaritonic enhancement of near-field scattering of small molecules encapsulated in boron nitride nanotubes, ACS Appl. Nano Mater. 4, 4335-4339, 2020 | | Cadena A., Botka B., Székely E., Kamarás K.: Encapsulation of Sexithiophene Molecules in Single-Walled Carbon Nanotubes Using Supercritical CO2 at Low Temperature, PHYSICA STATUS SOLIDI B-BASIC RESEARCH 257, 2000314-1-5, 2020 | | A. Cadena, B. Botka, K. Kamarás: Organic molecules encapsulated in single-walled carbon nanotubes, Oxford Open Materials Science, 1, itab009, 2021 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
