Szélessávú mágneses-optikai spektroszkópia összetett mágneses anyagokon = Broadband Magneto-optical Spectroscopy on Complex Magnetic Materials

A projekt alapvető célkitűzése egy széles fotonenergia tartományban használható és a nagy érzékenység érdekében polarizáció modulációs elven működő magneto-optikai spektrométer kifejlesztése a BME Fizika Tanszékén, ami kereskedelmi forgalomban nem hozzáférhető. A moduláris és a változó kísérleti feladatokhoz dinamikusan illeszthető mérőegység építése befejeződött. A fejlesztés során megvalósítottuk a polarizáció modulációs technika adaptációját egy az infravörös tartományt (80meV-1eV) átfogó Fourier transzformációs spektrométerre illetve egy az ultraibolyától a közeli infravörösig terjedő tartományt (0.7-6eV) lefedő diszperziós monokromátorra. Az így megépített optikai mérőegység polarizációváltozás nagy, ~0.001 fok pontosságú detektálását teszi lehetővé mind reflexiós, mind transzmissziós geometriában a teljes 80meV-6eV fotonenergia tartományon, ami világviszonylatban is kiemelkedő és egyedi. A spektrométer építésében, illetve az eszközzel mágneses anyagokon és biológiai mintákon történő mérésekben témavezetésemmel három PhD hallgató és két MSc-s diák vett részt. A projekt keretében mágneses anyagok és biológiai minták széles körén elért eredményeink többsége már rangos folyóiratokban (Physical Review Letters, Nature Physics) került közlésre. Ezek részletes ismertetése a csatolt beszámolóban található. | The main goal of the project was to develop a unique magneto-optical spectrometer using a polarization modulation technique to achieve high sensitivity over a broad spectral region. This optical measurement system has been built in a modular form, which can be easily modified according to the actual experimental requirements and challenges. To achieve high sensitivity in the detection of polarization effects over a wide spectral range, we adapted a polarization moduation method to a Fourier transform infrared spectrometer (80meV-1eV) and to a grating monochromator covering the near infrared-visible-ultraviolet range (0.7-6eV). This system has an outstanding precision of ~0.001 degree in the detection of polarization changes either in transmission or in reflection geometry over the whole photon energy region 80meV-6eV. Under my supervision, three PhD and two master students contributed to the development of the setup and participated in experiments on magnetic materials and biological samples. Part of the scientific results obtained within the project on a large variety of magnetic compounds and biological samples have already been published in high-rank journal such as Physical Review Letters and Nature Physics and are described in the full-length research report

Korrelált elektronrendszerek fázisdiagramja: spektroszkópiai és transzport vizsgálatok = Phase diagram of correlated electron systems: spectroscopic and transport study

Kölcsönható elektronrendszerekben az erős korrelációk gyakran a különböző szabadsági fokok (spin, töltés és pálya) összecsatolódásához, együttes rendeződéséhez vezetnek. Ennek a komplexitásnak a következménye, hogy fázisdiagramjukban több szomszédos, egymással versengő, szimmetriasértő alapállapotot figyelhetünk meg. Számos anyagnál külső behatással (mágneses tér, hidrosztatikus nyomás; töltéshordozószám, rendezetlenség) a preferált alapállapot képesek voltunk megváltoztatni, miközben az egyes fázisok jellemzését termodinamikai és vezetési tulajdonságok mérésével illetve spetroszkópiai módszerekkel végeztük. -A kolosszális mágneses ellenállás mechanizmusának megértéséhez közelebb vittek mangán oxidokon végzett kísérleteink. Megmutattuk, hogy a töltés- és pályarendezett állapot fluktuációi dominálják a három szomszédos alapállapot (töltés- és pályarendezett szigetelő, spinüveg szigetelő, ferromágneses fém) fölötti paramágneses tartományt magas hőmérsékletekig. Ezek a fluktuációk határozzák meg az egyenáramú transzportot – alapvető szerepet játszva a kolosszális mágneses ellenállás mechanizmusában – és az alacsony energiás optikai vezetőképességet. -Számos frusztrált mágneses rendszernél azt tapasztaltuk, hogy a hosszútávú spin rendeződés hiánya erős fluktuációkat eredményez a töltés szektorban is. Ennek legfőbb megnyilvánulása, hogy a fémes és szigetelő állapot nem különül el élesen, a köztük lévő fázishatár egy zérus hőmérsékletű kvantum fázisátmenetre korlátozódik. | In interacting electron systems, strong correlations often lead to the interlocking and cooperative ordering of spin, charge and orbital degrees of freedom. Due to this complexity several competing symmetry breaking ground states appear in their phase diagram. By external and internal stimuli – such as magnetic field, hydrostatic pressure; carrier concentration, disorder – we have succeeded to effectively tune the properties of such systems and change their prefered ground state while characterizing the different phases by thermodynamic, transport and optical measurements. -Our results obtained on manganites with quenched disorder contributed to the understanding of the microscopic mechanism of the colossal magnetoresistance effect. We pointed out that an extended region of the paramagnetic phase above the three neighbouring ground states (charge and orbital ordered insulator, spin glass insulator and ferromagnetic metal) is dominated by fluctuations of the charge and orbital ordered state. These fluctuations determine both the dc transport – playing fundamental role in the colossal magnetoresistance – and the behavior of the low-energy optical conductivity. -In several frustrated magnets we found that the lack of long-range spin order results in strong fluctuations in the charge sector, as well. As a most pronounced signature, the finite-temperature metal-insulator transition line is replaced by a crossover and the real transition is restricted to zero temperature

An automated neural network-based stage-specific malaria detection software using dimension reduction: the Malaria Stage Classifier

Due to climate change and the COVID-19 pandemic, the number of malaria cases and deaths, caused by the Plasmodium genus, of which P. falciparum is the most common and lethal to humans, increased between 2019 and 2020. Reversing this trend and eliminating malaria worldwide requires improvements in malaria diagnosis, in which artificial intelligence (AI) has recently been demonstrated to have a great potential. One of the main reasons for the use of neural networks (NNs) is the time saving through automatising the process and the elimination of human error. When classifying with two-dimensional images of red blood cells (RBCs), the number of parameters fitted by the NN for the classification of RBCs is extremely high, which strongly influences the performance of the network, especially for training sets of moderate size. The complicated handling of malaria culturing and sample preparation does not only limit the efficiency of NNs due to small training sets, but also because of the uneven distribution of red blood cell (RBC) categories. To boost the performance of microscopy techniques in malaria diagnosis, our approach aims at resolving these drawbacks by reducing the dimension of the input data and by data augmentation, respectively. We assess the performance of our approach on images recorded by light (LM), atomic force (AFM), and fluorescence microscopy (FM). Our tool, the Malaria Stage Classifier, provides a fast, high-accuracy recognition by (1) identifying individual RBCs in multi-cell microscopy images, (2) extracting characteristic one-dimensional cross-sections from individual RBC images. These cross-sections are selected by a simple algorithm to contain key information about the status of the RBCs and are used to (3) classify the malaria blood stages. We demonstrate that our method is applicable to images recorded by various microscopy techniques and available as a software package. • Identifying individual RBCs in multi-cell microscopy images. • Extracting characteristic one-dimensional cross-sections from individual RBC images. These cross-sections are selected by a simple algorithm to contain key information about the status of the RBCs and are used to. • Classify the malaria blood stages. We demonstrate that our method is applicable to images recorded by various microscopy techniques and available as a software package

Reducing data dimension boosts neural network-based stage-specific malaria detection

Although malaria has been known for more than 4 thousand years(1), it still imposes a global burden with approx. 240 million annual cases(2). Improvement in diagnostic techniques is a prerequisite for its global elimination. Despite its main limitations, being time-consuming and subjective, light microscopy on Giemsa-stained blood smears is still the gold-standard diagnostic method used worldwide. Autonomous computer assisted recognition of malaria infected red blood cells (RBCs) using neural networks (NNs) has the potential to overcome these deficiencies, if a fast, high-accuracy detection can be achieved using low computational power and limited sets of microscopy images for training the NN. Here, we report on a novel NN-based scheme that is capable of the high-speed classification of RBCs into four categories—healthy ones and three classes of infected ones according to the parasite age—with an accuracy as high as 98%. Importantly, we observe that a smart reduction of data dimension, using characteristic one-dimensional cross-sections of the RBC images, not only speeds up the classification but also significantly improves its performance with respect to the usual two-dimensional NN schemes. Via comparative studies on RBC images recorded by two additional techniques, fluorescence and atomic force microscopy, we demonstrate that our method is universally applicable for different types of microscopy images. This robustness against imaging platform-specific features is crucial for diagnostic applications. Our approach for the reduction of data dimension could be straightforwardly generalised for the classification of different parasites, cells and other types of objects

Dressed j eff-1/2 objects in mixed-valence lacunar spinel molybdates

The lacunar-spinel chalcogenides exhibit magnetic centers in the form of transition-metal tetrahedra. On the basis of density-functional computations, the electronic ground state of an Mo413+ tetrahedron has been postulated as single-configuration a12 e4 t25, where a1, e, and t2 are symmetry-adapted linear combinations of single-site Mo t2g atomic orbitals. Here we unveil the many-body tetramer wave-function: we show that sizable correlations yield a weight of only 62% for the a12 e4 t25 configuration. While spin–orbit coupling within the peculiar valence orbital manifold is still effective, the expectation value of the spin–orbit operator and the g factors deviate from figures describing nominal t5jeff = 1/2 moments. As such, our data documents the dressing of a spin–orbit jeff = 1/2 object with intra-tetramer excitations. Our results on the internal degrees of freedom of these magnetic moments provide a solid theoretical starting point in addressing the intriguing phase transitions observed at low temperatures in these materials

Dressed jeff-1/2 objects in mixed-valence lacunar spinel molybdates

The lacunar-spinel chalcogenides exhibit magnetic centers in the form of transition-metal tetrahedra. On the basis of density-functional computations, the electronic ground state of an Mo413+ tetrahedron has been postulated as single-configuration a12 e4 t25, where a1, e, and t2 are symmetry-adapted linear combinations of single-site Mo t2g atomic orbitals. Here we unveil the many-body tetramer wave-function: we show that sizable correlations yield a weight of only 62% for the a12 e4 t25 configuration. While spin–orbit coupling within the peculiar valence orbital manifold is still effective, the expectation value of the spin–orbit operator and the g factors deviate from figures describing nominal t5 jeff = 1/2 moments. As such, our data documents the dressing of a spin–orbit jeff = 1/2 object with intra-tetramer excitations. Our results on the internal degrees of freedom of these magnetic moments provide a solid theoretical starting point in addressing the intriguing phase transitions observed at low temperatures in these materials

Hidrosztatikus nyomással kiváltott elektronszerkezeti változások szilárd testekben = Hydrostatic pressure induced changes in the electronic structure of solids

A pályázat célkitűzése volt fázisátalakuláshoz közeli rendszerek paramétereinek finom hangolása hidrosztatikus nyomás alkalmazásával, valamint az egyes fázisok jellemzése nyomás alatt végzett elektromos és mágneses mérésekkel. A nyomás elsődleges hatása az átfedési integrálok módosítása, különösen az általunk vizsgált rendszerek irányított pályái esetén. Ennek az egyik alapvető következménye a korrelált elektronrendszerek nyomás által indukált fém-szigetelő átmenete. Ezt a jelenségkört a BaVS3 d-elektron rendszerén, valamint kolosszális mágneses ellenállást mutatató manganátokban tanulmányoztuk. Nyomás hatására erősödik a mágneses félvezetők lokalizált momentumai közti csatolás, így a nyomás függvényében végzett kísérletek egyedülálló lehetőséget biztosítottak a ferromágneses fázis kialakulásának megértéséhez. A nagy mágneses terű mágnesezettség mérésekhez épített, magnetooptikai Kerr-effektuson alapuló mérőrendszerrel a mágnesezettséget 10-200 nm vastagságú rétegeken is nagy pontossággal meg tudtuk határozni. Az anomális Hall jel és a mágnesezettség között kísérletileg kimutatott skálatörvénnyel igazoltuk, hogy az anomális Hall jel térfüggése a mágnesesen felhasadt sávok eltolódásától származik. Az eredményeket 10 tudományos közleményben publikáltuk, összesített impakt-faktoruk: 41.770. A publikációk pdf formában letölthetők erről az internet címről: http://dept.phy.bme.hu/K62441 | The aim of the project was to fine tune the microscopic parameters by application of hydrostatic pressure in materials that are in the vicinity of a phase transition, and to characterize the various phases by transport and magnetic measurements. The primary effect of the pressure is the modification of the wave function overlap, especially in case of the oriented orbitals characteristic to the materials studied in the project. A basic consequence is the pressure induced insulator-metal transition. We have investigated this phenomenon in the d- electron system of BaVS3, as well as in various manganates exhibiting colossal magnetoresistance (CMR). The application of pressure enhances the coupling between the localized moments in magnetic semiconductors, and thus supplied unique opportunities to study the development of ferromagnetism in these systems. In order to determine the magnetization of 10-200 nm thin (In,Mn)Sb films we have developed a sensitive MOKE technique (magnetooptical Kerr effect). We have established a scaling relation between the anomalous Hall effect (AHE) and the magnetization, and demonstrated that the field dependence of the AHE is due to the shift of the magnetically split bands. The results were published in 10 papers, the cumulative impact factor of 41.770. The publications can be downloaded from http://dept.phy.bme.hu/K6244

Magnetic Excitations in the Multiferroic N\'eel-type Skyrmion Host GaV4_4S8_8

Broadband microwave spectroscopy has been performed on single-crystalline GaV$_4$S$_8$, which exhibits a complex magnetic phase diagram including cycloidal, N\'eel-type skyrmion lattice, as well as field-polarized ferromagnetic phases below 13 K. At zero and small magnetic fields two collective modes are found at 5 and 15 GHz, which are characteristic of the cycloidal state in this easy-axis magnet. In finite fields, entering the skyrmion lattice phase, the spectrum transforms into a multi-mode pattern with absorption peaks near 4, 8, and 15 GHz. The spin excitation spectra in GaV$_4$S$_8$ and their field dependencies are found to be in close relation to those observed in materials with Bloch-type skyrmions. Distinct differences arise from the strong uniaxial magnetic anisotropy of GaV4S8 not present in so-far known skyrmion hosts

Spin polarizáció nanoszerkezetekben = Spin polarization in nanostructures

A projekt keretében spin-polarizációs jelenségeket tanulmányoztunk Andrejev- és MOKE-spektroszkópiával. Saját építésű berendezéssel különböző ferromágneses anyagokban maghatároztuk a vezetési elektronok spin-polarizációjának értékét. Új eljárást dolgoztunk ki a spin-diffúziós hossz hőmérsékletfüggésének és telítési értékének meghatározására, működését modellkísérletekben demonstráltuk. A spintronikai alkalmazások szempontjából ígéretes anyagok széles körét tanulmányoztuk MOKE spektroszkópiával. Vizsgáltuk a szupravezető-fém határátmenet mezoszkópikus transzportjelenségeit, és megmutattuk, hogy a diffúzív tartomány fáziskoherens térfogatának növekedésével proximity-szupravezetés jön létre. Részletesen tanulmányoztuk az ionos vezetéstől származó ún. memrisztor jelenséget Ag-S felületi rétegen létrehozott kontaktusokban. A 3-5 nm mérettartományban kialakított kontaktusokban extrém nagy áramsűrűségnél rezisztív kapcsolási jelenséget figyeltünk meg. Elsőként állítottunk elő fémes tulajdonságú ionos nano-kapcsolókat, melyekről megmutattuk, hogy mindkét állapotában közel ballisztikus vezetés valósul meg, és nagysebességű kapcsolásra alkalmas ( <10 ns). A projekt keretében összesen 15 publikáció készült. Nívós nemzetközi folyóiratokban jelent meg 12 publikáció, impakt faktor összegük: 64.485. A fémes Ag-S memrisztor kapcsolókra vonatkozó legújabb eredmények a Material Research Society 2011-es konferenciáján kerültek bemutatásra. | In the framework of the project we studied spin polarization phenomena by Andrejev and MOKE spectroscopies. The degree of spin polarization has been determined in different ferromagnetic materials by applying a home made instrument. A new method has been worked out to determine the spin diffusion length, and the applicability was demonstrated by model experiments. A broad variety of materials promising for spintronic applications were studied by MOKE spectroscopy. The mesoscopic transport phenomena of superconductor-metal interface were investigated and the presence of proximity superconduction have been shown to occur with the increase of the volume of the phase coherent diffusive regions. The memristor effect originating form ionic conduction was investigated in details on contacts prepared at the surface layer of Ag-S thin films. Applying contacts in the 3-5 nm range and extremely large current densities allowed to observe the resistive switching phenomenon. We were the first to prepare ionic nano-switches of metallic character and we have shown that close to ballistic conduction is realized in both states of the switch and it is appropriate for high frequency (<10 ns) switching. In the framework of the project 15 publications were prepared. 12 of them appeared in high level international scientific journals, the comulated impact factor is: 64.485