Tomografie s atomární sondou (APT) je pokročilá technika používaná k získání 3D informací o složení na atomové úrovni v širokém spektru pevných látek, zahrnujícím kovy, polovodiče i izolanty. Přístroj APT „odpařuje” jednotlivé atomy z jehlovitého vzorku pomocí elektrického pole nebo laserového pulsu. Tyto atomy jsou poté detekovány a identifikovány podle doby letu, což umožňuje detailní 3D rekonstrukci materiálu na atomové úrovni.

Analyzační proces při použití tomografie s atomární sondou začíná vyrobením vzorku jehlovitého tvaru, obvykle na průměr hrotu asi 100 nm, přičemž se pro přesnou přípravu se používá systém skenovacího elektronového mikroskopu s fokusovaným iontovým svazkem (FIB-SEM). Poté se na hrot přivede vysoké elektrické pole nebo laserový puls, což způsobí, že se jednotlivé atomy postupně odpařují z vrcholu hrotu. Jakmile se každý atom odpaří, je směrován k detektoru, kde se zaznamenává doba jeho příletu, což umožňuje identifikaci typu atomu na základě jeho poměru hmotnosti k náboji. Opakováním tohoto procesu pro miliony atomů vytváří APT podrobnou 3D atomovou mapu vzorku, odhalující jeho složení a strukturu na téměř atomové úrovni.

Použití vakuového kryogenního přenosového modulu (VCTM) pro přenos vzorku mezi systémem tomografie s atomární sondou a skenovacím elektronovým mikroskopem s fokusovaným iontovým svazkem (FIB-SEM) přináší významné výhody, zejména při práci s citlivými nebo reaktivními vzorky. Při použití VCTM je vzorek přenášen ve vakuu a při kryogenních teplotách, což pomáhá zabránit kontaminaci, oxidaci nebo strukturálním změnám, ke kterým by mohlo dojít při pokojové teplotě nebo v běžných podmínkách.

Jedná se o širokospektrální zdroj UV, viditelného a NIR světla s vysokým výkonem, extrémní časovou stabilitou a dlouhou životností. Na rozdíl od klasických výbojek je v tomto zdroji využit fokusovaný laserový svazek k vytvoření výboje. Tento patentovaný přístup je pak důvodem zmíněných vlastností. Zdroj bude použit ke zvýšení citlivosti magnetooptických spektrometrů, kde je vysoká hustota energie a časová stabilita naprosto zásadní. To umožní měření spekter rotace polarizace s citlivostí pod 500 mikrostupňů v širokém spektrální rozsahu. Takové malé jevy jsou pozorovatelné například v nových magnetických materiálech, jako jsou altermagnety.

V laboratoři experimentální mechaniky byl po rozsáhlých stavebních úpravách instalován dynamický stroj Instron Electropulz E3000. Stroj významně rozšiřuje možnosti cyklického testování malých vzorků. Umožnuje testovat při frekvencích do 250 Hz v rozmezí teplot -100 až +1000 °C při řízené asymetrii cyklu. Ihned po instalaci na něm bylo zahájeno tlakové předcyklování superelastických materiálů ze slitin Nitinolu pro stanovení jejich cyklických R křivek. Pro komplikovanější ohybové zkoušky a zkoušky za vysoké teploty byly navrženy speciální přípravky. Stroj najde uplatnění i při studiu hořčíkových slitin pro užití v medicíně a jiných nově vyvíjených materiálů.

Vibrační hustoměr umožňuje přesné měření hustot tekutin v širokém rozsahu teplot
(-10 °C až +200 °C) a do velmi vysokých tlaků (do 140 MPa ~ 1400 atmosfér). Pomocí tohoto zařízení bude možné experimentálně proměřit vlastnosti hydrofluoroetherů (HFE), které díky nízké elektrické vodivosti, chemické stabilitě a relativně vysoké tepelné kapacitě představují vhodné médium pro řízení teplotních podmínek při realizaci fázových přechodů ve feroických materiálech.

Pro plnohodnotný provoz aparatury a pro dosažení takto vysokých tlaků bude přístroj doplněn o vysokotlaký plnicí systém, který zahrnuje zařízení pro generování tlaku. Systém bude také vybaven regulací a stabilizací teploty a přesným měřením teploty, přesným měřením tlaku a měřicí cela bude umístěna do sušícího boxu pro měření za nižších teplot. Cela je připojena k externí zobrazovací a vyhodnocovací jednotce mPDS 5.

Naše laboratoř feromagnetické rezonance prochází modernizací: nový mikrovlnný signální generátor nahradí technologicky zastaralé a provozně nevyhovující mikrovlnné zdroje z 80. let minulého století. Jde o cílenou investici do rozvoje výzkumné infrastruktury, která umožní zavedení moderní širokopásmové FMR spektroskopie při efektivním využití stávajícího laboratorního vybavení.

Laboratoř využívá metodu feromagnetické rezonance (FMR) pro detailní charakterizaci magnetických vlastností materiálů – zkoumá například magnetickou anizotropii, dynamiku magnetizačních procesů a interakce v nanostrukturovaných systémech. Tyto poznatky jsou důležité jak pro základní výzkum, tak pro vývoj nových materiálů a technologií.

Pořizovaný mikrovlnný signální generátor pracuje ve frekvenčním rozsahu 1–50 GHz, poskytuje stabilní výstupní výkon až 20 dBm v celém tomto pásmu a umožňuje amplitudovou, frekvenční i fázovou modulaci signálu. Plně nahrazuje dosud používané klystrony a magnetrony a zároveň je kompatibilní se stávajícími mikrovlnnými vlnovodnými systémy vybudovanými v laboratoři.

Systému Molecular Beam Epitaxy (MBE) pro vysokovakuové depozice byl vytvořen dle návrhu pracovníků týmu ze skupiny Materiálového výzkumu s neutronovými a iontovými svazky na míru potřebám výzkumu v rámci projektu Ferrmion. Nová vakuová komora pro ultravysoké vakuum umožňuje syntézu komplexních feroických vrstev. Dalšími prvky zařízení jsou komora load-lock, iontová a elektronová děla, efuzní cely, manipulátor vzorků a monitor tloušťky.

Zařízení představuje nové depoziční uspořádání pro řízenou přípravu ultratenkých vrstev hybridních kompozitů na bázi fullerenů a feroických kovů. Umožňuje simultánní depozici několika kovů s daným stechiometrickým poměrem (za vzniku feroických nanočástic/nanokrystalů), doprovázenou depozicí alotropu C60 a implantací kyslíku s přesně definovanou fluencí. MBE systém se bude používat především k produkci vrstev pro WP1, RA4 – Feroické kompozity na nanoškále.

V rámci realizace úkolů spojených s ozařováním slitin multiferroických materiálů v projektu Ferrmion byla provedena investice do nové vakuové techniky. Cílem bylo zajistit stabilní a vysoce kvalitní podmínky vakua, které jsou nezbytné pro přesné experimenty s iontovými svazky a depozicí tenkých vrstev. Do systému byly začleněny různé typy vakuových agregátů, které pokrývají celé spektrum požadavků na čerpací rychlosti a dosažitelné tlaky. První skupinu tvoří zařízení s čerpací rychlostí 5,2–7 m³/h, vybavená manuálním gas ballast ventilem a možností doplnění automatického ventilu. Tyto agregáty disponují mezním tlakem do 2·10⁻² mbar, integrovaným tlakovým senzorem a moderní řídicí jednotkou, která umožňuje ekonomický provoz. Díky nízké hlučnosti (do 50 dB(A)) a kompaktní váze do 20 kg jsou vhodné pro trvalý provoz v laboratoři. Druhou skupinu představují suché scroll vývěvy s čerpací rychlostí 10,8–13 m³/h. Tyto jednotky nabízejí obdobné parametry, avšak vyšší výkon a možnost komunikace s turbomolekulární vývěvou prostřednictvím speciálního kabelu. Jsou optimalizovány pro dosažení požadovaného vakua při dlouhodobém provozu.

Význam investice: Nové vakuové agregáty umožňují realizovat experimenty s multiferroickými slitinami v podmínkách, které zaručují přesnost měření a reprodukovatelnost výsledků. Stabilní vakuum je klíčové pro depozici tenkých vrstev, studium radiačního poškození a přípravu materiálů. Investice tak přímo podporuje vědecké cíle projektu Ferrmion a rozvoj nového směru výzkumu v Laboratoři Tandetronu

Vysokoteplotní vakuová pec byla vyrobena podle potřeb skupiny Materiálového výzkumu s neutronovými a iontovými svazky syntetizovat resp. modifikovat v rámci řešení výzkumné aktivity 1A4 OP JAK Ferrmion hybridní kompozity na bázi allotropů uhlíku (fullerénů) a ferroik při vysokých teplotách (až 2000 ˚C), ve vakuu (cca 10-5 mbar) nebo v inertní atmosféře. Konstrukce pece umožňuje vkládat vzorky přes horní víko do wolframové klece o objemu 503 mm3. Pec je programovatelná s příkonem až 10 kW.

Vysokonapěťový zdroj je určen pro přípravu nebo modifikaci feroických vzorků iontovým ozářením s energiemi až 100 keV. Vysoká fluence a nízká energie iontů umožňuje modifikaci povrchových vlastností vzorků. V rámci projektu OP JAK Ferrmion budou připravené vrstvy materiálů ozářeny vybranými ionty a fluencemi a použity pro studium hybridních kompozitů nebo při výzkumu tenkých lithiových baterií a dalších systémů vhodných pro skladování energie.

Databáze TCHEA (TCS High Entropy Alloys), vyvinutá společností Thermo-Calc Software AB, slouží jako praktický nástroj pro modelování a návrh komplexních koncentrovaných slitin pomocí metodiky CALPHAD. Umožňuje spolehlivě předpovídat fázovou stabilitu, zastoupení jednotlivých fází, průběh tuhnutí i transformační teploty ve vícekomponentních systémech, kde je experimentální výzkum časově i finančně velmi náročný. Díky tomu usnadňuje rychlý výběr vhodného složení, optimalizaci slitin a cílený návrh materiálů s požadovanou mikrostrukturou. Databáze tak přímo přispívá k efektivnímu řešení klíčových úloh projektu FerrMion.

V rámci projektu byl pořízen vysokoenergetický kulový mlýn určený pro intenzivní mechanické zpracování práškových materiálů. Zařízení slouží k jemnému mletí, homogenizaci, mechanickému legování a mechanické aktivaci materiálů, což umožňuje přípravu prášků s řízenými vlastnostmi a vysokou chemickou i strukturní homogenitou. Pořízení tohoto zařízení bylo nezbytné pro realizaci plánovaných experimentů, které vyžadují přesnou kontrolu mikrostruktury a složení studovaných materiálů. Kulový mlýn výrazně rozšiřuje experimentální možnosti pracoviště a přispívá ke zvýšení kvality i reprodukovatelnosti dosažených výsledků. Zařízení je určeno pro využití v základním i aplikovaném výzkumu v oblasti pokročilých materiálů.

V rámci projektu byl pořízen 3D práškový mixér určený k šetrné a důkladné homogenizaci práškových materiálů. Zařízení umožňuje rovnoměrné promíchání prášků bez jejich významného mechanického poškození, což je klíčové zejména pro přípravu vstupních materiálů s přesně definovaným složením. Pořízení mixéru bylo nezbytné pro zajištění reprodukovatelnosti experimentů a stabilní kvality připravovaných směsí. Přístroj rozšiřuje technologické vybavení pracoviště a podporuje realizaci plánovaných výzkumných aktivit v oblasti vývoje pokročilých materiálů. Zařízení je využitelné jak v základním, tak v aplikovaném výzkumu.

V rámci projektu byl pořízen výpočetní systém Thermo-Calc určený pro simulaci a predikci chování materiálů na základě fyzikálních a chemických modelů. Software umožňuje výpočet fázového složení, stability materiálů a jejich vývoje při různých teplotách a složeních, což výrazně snižuje potřebu náročných a nákladných experimentů metodou pokus–omyl. Pořízení tohoto systému bylo klíčové pro efektivní návrh nových materiálů a optimalizaci experimentálních postupů. Thermo-Calc podporuje kvalitnější plánování výzkumu, zvyšuje jeho efektivitu a přispívá k lepší interpretaci naměřených výsledků. Systém je využíván v základním i aplikovaném výzkumu pokročilých materiálů.

Aby bylo možné pokrýt rostoucí výpočetní nároky projektu Ferrmion, byl uveden do provozu nový vysoce výkonný výpočetní uzel. Tento uzel byl plně integrován do stávajícího výpočetního clusteru provozovaného Ústavem termomechaniky. Systém je postaven na nejnovější architektuře procesorů AMD EPYC Zen 5 a je vybaven jedním 96 jádrovým procesorem, který přináší výrazné navýšení paralelního výpočetního výkonu. Hardwarové komponenty byly pečlivě zvoleny a sestaveny tak, aby procesor mohl pracovat s maximální podporovanou rychlostí paměti 6000 MT/s. Výsledná paměťová konfigurace dosahuje kapacity 768 GB RAM, což umožňuje efektivní provádění rozsáhlých, na paměť náročných simulací. Celkově nový uzel vykazuje přibližně o 40 % vyšší výkon ve srovnání s dosud nejvýkonnějším uzlem v clusteru. Rozšířením stávající clusterové infrastruktury nový uzel významně zvyšuje celkovou výpočetní kapacitu i provozní spolehlivost zařízení. Je určen k podpoře velmi náročných numerických úloh spojených s projektem, včetně rozsáhlých analýz metodou konečných prvků a pokročilých multifyzikálních simulací, a zároveň poskytuje dostatečnou výkonovou rezervu pro budoucí výpočetní požadavky.

V rámci projektu byl pořízen nový centrální datový úložný systém. Úložiště je nedílnou součástí datové infrastruktury projektu. Systém je založen na platformě Synology RS4021xs+ a je navržen tak, aby poskytoval spolehlivé, centrálně přístupné úložiště pro projektová data. Úložiště využívá pevné disky pocházející ze zmenšeného úložného systému clusteru Kraken, čímž je zajištěno efektivní využití stávajících hardwarových zdrojů. Potřeba samostatného centrálního úložného systému vznikla v průběhu projektu v souvislosti s rostoucím objemem generovaných vědeckých dat. Úložiště bude podporovat rané fáze životního cyklu vědeckých dat, včetně jejich sběru, zpracování a analýzy, před jejich dlouhodobým uložením do externích repozitářů. Jeho centrální a síťově přístupná koncepce usnadňuje sdílení dat v rámci výzkumných týmů a přispívá ke zlepšení postupů správy dat v souladu s principy iniciativy Open Data.

Detektor umožňuje měřit difrakci (s úhly rozptylu rtg. záření > 20°) současně s maloúhlovým rozptylem. Díky této schopnosti není nutné pro měření difrakce přemisťovat hlavní detektor, což umožňuje udělat současně snímek difrakce a maloúhlového rozptylu. To má význam při in-situ měření rychlých dějů (nap. krystalizace či rozpouštění), kdy je možné časově korelovat růst či zmenšování nanoobjektů (krystalů) s vytvářením nebo rozpadem krystalové struktury.