Atomijärjestelmien

Atomijärjestelmien käsite kattaa järjestelmät, joissa atomin ytimet ja elektronit sekä niiden väliset vuorovaikutukset määrittävät fysikaaliset ominaisuudet. Tämä kattaa yksittäiset atomit, molekyylit, pienet klusterit sekä kiinteät aineet ja nanorakenteet, joissa atomien järjestäytyminen ja vuorovaikutukset muodostavat rakenteen ja dynamiikan. Atomijärjestelmien käyttäytymistä mallintaa kvanttimekaniikka, ja niiden ominaisuuksia tarkastellaan sekä kemiallisesta että fysikaalisesta näkökulmasta.

Keskeisiä käsitteitä ovat elektronikonfiguraatio, kemiallinen sitoutuminen sekä sitoutumistyyppien, kuten kovalenttisen, ionisen ja metallisen, esiintyminen. Kiinteissä aineissa atomit voivat muodostaa kiteitä tai olla amorfeja; nanoskaaluisissa järjestelmissä, kuten kvanttipisteissä, ominaisuudet voivat poiketa suuresti. Ominaisuudet määräytyvät energiatiloista, sidosten voimista ja rakenteesta, ja kiinteissä aineissa esiintyy usein bandirakenteita, jotka kuvaavat elektronien liikkumista.

Tutkimusmenetelmät: kokeellisesti atomijärjestelmiä tarkastellaan esimerkiksi spektroskopian, röntgendiffraktion, elektronimikroskopian sekä skannauintutunneli-mikroskopian avulla. Teoreettisesti atomijärjestelmiä kuvataan kvanttimekaniikalla sekä ab initio -laskennoilla, kuten tiheydenfunktionaaliteorian (DFT) menetelmillä.

Sovellukset: puolijohde- ja materiaalitekniikka, katalyysi, nanoteknologia sekä kvanttitietotekniikka. Tutkimusten avulla voidaan kehittää uusia materiaaleja, parantaa katalysaattoreita sekä rakentaa kontrolloitujen kvanttijärjestelmien.