Sergei V. Kalinin - Sergei V. Kalinin

Sergei V. Kalinin
Sergei V Kalinin.jpeg
Nació
Sergei Vasilyevich Kalinin

Moscú, Rusia
alma mater Maestría en la Universidad Estatal de Moscú (1998) Doctorado en la
Universidad de Pennsylvania . (2002)
Premios Premio Blavatnik (2018); Medalla RMS para microscopía de sonda de barrido (2015); Premio presidencial de carrera temprana para científicos e ingenieros (PECASE) (2009); Premio Joven Investigador de Ferroeléctricos IEEE-UFFC (2010); Medalla Burton de la Microscopy Society of America (2010); Premio ISIF Joven Investigador (2009); Premio en memoria de Peter Mark de la American Vacuum Society (2008); 3 premios I + D100 (2008, 2010 y 2016); Premio Ross Coffin (2003); Premio Robert L. Coble de la Sociedad Americana de Cerámica (2009)
Carrera científica
Campos Big data , aprendizaje automático , fabricación atómica, inteligencia artificial , microscopía electrónica de transmisión de barrido , microscopía de sonda de barrido , microscopía de fuerza de respuesta piezoeléctrica , electromecánica a nanoescala
Instituciones Laboratorio Nacional Oak Ridge , Universidad de Tennessee - Knoxville
Tesis Fenómenos eléctricos a nanoescala en superficies e interfaces de óxido mediante microscopía de sonda de barrido  (2002)

Sergei V. Kalinin es miembro corporativo del Centro de Ciencias de Materiales Nanofásicos (CNMS) del Laboratorio Nacional de Oak Ridge . También es profesor adjunto adjunto en el Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales de la Universidad de Tennessee-Knoxville .

Educación

Kalinin se graduó con una maestría en el Departamento de Ciencia de Materiales de la Universidad Estatal de Moscú , Rusia en 1998. Recibió su doctorado. en Ciencia e Ingeniería de Materiales de la Universidad de Pennsylvania en 2002 con la Prof. Dawn Bonnell .

Carrera profesional

Ha sido miembro del personal investigador de ORNL desde octubre de 2004 (Senior desde 2007, Distinguido desde 2013). Anteriormente, fue líder temático de funcionalidad electrónica e iónica en CNMS, ORNL (2007-2015).

Recibió la beca Eugene P. Wigner Fellowship (2002-2004).

Se convirtió en profesor conjunto en el Centro de Investigación Interdisciplinaria y Educación de Posgrado, Universidad de Tennessee, Knoxville en diciembre de 2010. También se convirtió en profesor adjunto en la Universidad Sung Kyun Kwan en enero de 2013.

Investigar

Big Data en física y Atom por fabricación de átomos

La investigación de Kalinin se centra en las aplicaciones de las técnicas de aprendizaje automático e inteligencia artificial para el análisis de datos de imágenes a escala nanométrica y resueltos atómicamente, siendo el concepto central la extracción de la física de interacciones atómicas, moleculares y de mesoescala a partir de datos de imágenes y permitiendo la retroalimentaciones de tiempo para la modificación controlada de la materia, el modelado y la fabricación átomo por átomo.

Esta investigación surge en el cruce de tres conceptos. La primera es que el desarrollo de microscopías de sonda de barrido y electrónicas modernas ha abierto las puertas de inundación de información de alta veracidad sobre la estructura y funcionalidades de los sólidos, que rara vez se almacena o analiza. Dentro de IFIM, Kalinin ha liderado el desarrollo de los marcos operativos que incluyen

(a) captura de información completa de herramientas de imágenes como SPM (premio RD100 en 2016) y STEM,

(b) implementación de herramientas de extracción de física y análisis de fuentes múltiples basadas en HPC, y

(c) implementación de espacios de conocimiento común (como es común para, por ejemplo, dispersión, genómica o espectrometría de masas).

En segundo lugar, las complejas dinámicas atómicas y de mesoescala se sustentan típicamente en mecanismos relativamente simples de baja dimensión, ya sean relaciones constitutivas para sistemas de mesoescala o campos de fuerza en sistemas atomísticos. En consecuencia, la extracción de estos parámetros físicos simples a partir de datos de imágenes puede revolucionar la ciencia moderna. Trabajó en la combinación de herramientas de análisis basadas en la física y centradas en datos para el análisis de imágenes funcionales estructurales e hiperespectrales, incluido el desarrollo de métodos de desmezcla lineales y no lineales que satisfacen las limitaciones físicas a priori (y, por lo tanto, conducen a respuestas físicamente relevantes ), inversión de datos de imágenes dinámicas y métodos de inversión bayesiana para datos espectrales. Recientemente, su grupo comenzó a profundizar en la aplicación de redes de aprendizaje profundo combinadas con restricciones físicas impuestas a través de conjuntos de entrenamiento o arquitectura de red. La filosofía subyacente de esta investigación es utilizar las limitaciones físicas y los modelos conocidos para establecer relaciones causales entre las propiedades y funcionalidades de los materiales, y desarrollar esto aún más hacia el procesamiento, yendo más allá del paradigma puramente correlativo de los enfoques de big data.

Finalmente, tanto la microscopía electrónica como la sonda de barrido pueden afectar los materiales, siendo el ejemplo más notable de estos efectos el daño por haz de electrones en los sólidos. Kalinin y sus colegas creen además que en este punto la microscopía electrónica está posicionada para hacer la transición de una herramienta puramente de imagen que permite la física a un nuevo paradigma de control de materia atómica y computación cuántica, habilitado a través de la fabricación átomo por átomo demostrada recientemente por haces de electrones.

El esfuerzo de investigación en el IFIM se describe en: https://www.youtube.com/watch?v=0hwZTUvFzko

Kalinin ha propuesto el concepto de Atomic Forge, el uso del haz de microscopía electrónica de transmisión de barrido enfocado subatómicamente para la manipulación atómica y el ensamblaje átomo por átomo, https://www.youtube.com/watch?v=mZMhRPAJRsw

Nanoelectromecánica y microscopía de fuerza de respuesta piezoeléctrica

Antes de este esfuerzo, Kalinin ha desarrollado el campo de la electromecánica a nanoescala, explorando el acoplamiento entre los fenómenos eléctricos y mecánicos a nanoescala. Este acoplamiento es extremadamente común en la naturaleza, siendo la piezoelectricidad, la electrostricción ejemplos de comportamientos electromecánicos simples, mientras que la audición y la movilidad son ejemplos de comportamientos complejos. De hecho, podría decirse que la física moderna ha comenzado a partir de experimentos de Luigi Galvani, quien detectó la respuesta mecánica de la pata de rana al sesgo eléctrico. Sin embargo, los acoplamientos electromecánicos son notablemente débiles incluso en la nanoescala (por ejemplo, las respuestas piezoeléctricas típicas de los materiales inorgánicos son de 2 a 50 pm / V). Además, a menudo son de interés las respuestas electromecánicas a nivel de dominios ferroeléctricos individuales en cerámicas, fibrillas de colágeno en huesos, etc. La invención de la microscopía de fuerza piezorrespuesta de Kolosov y Gruverman ha proporcionado la primera herramienta para sondear fenómenos electromecánicos a nanoescala. Las contribuciones de Kalinin a PFM incluyen la primera imagen de PFM en líquido y vacío, la primera PFM de tejidos biológicos (esencialmente repitiendo el experimento de Galvani en la nanoescala), la primera demostración y sondeo de defectos topológicos unidimensionales controlables y la primera observación de ferroelectricidad a nanoescala. en sistemas moleculares. También fue pionero en el desarrollo de modos de imágenes espectroscópicas que le permitieron visualizar el cambio de polarización en el nivel de menos de 10 nanómetros, resolviendo la paradoja de Landauer de 50 años y descubrió los orígenes del efecto de tamaño para la no linealidad de Rayleigh en películas delgadas. Él y sus colaboradores desarrollaron la teoría fundamental para la formación de contraste en PFM y establecieron mecanismos de resolución y transferencia de contraste de paredes de dominio y espectroscopía. En colaboración con el grupo Long Qing Chen, ha sido pionero en la combinación entre PFM y el modelado de campo de fase, lo que permite estudios deterministas en el espacio real de conmutación de polarización en un solo nivel de defecto. Gran parte de este trabajo se realizó junto con el desarrollo de métodos instrumentales para la caracterización ferroeléctrica. Sergei dirigió el equipo que fue pionero en el revolucionario principio BE1 para microscopios de sonda de barrido (SPM) basados ​​en la fuerza. Esta transición de detección de frecuencia única a detección multifrecuencia paralela permite la captura cuantitativa de interacciones sonda-material Basándose en este concepto, las espectroscopias multidimensionales y multimodales desarrolladas por Sergei y su equipo para sondear el sesgo y la dinámica del tiempo en estos materiales han permitido estudios cuantitativos de la dinámica de polarización. y efectos mecánicos que acompañan a la conmutación en ferroeléctricos. Este trabajo ha demostrado aún más el papel fundamental de los fenómenos electroquímicos en las superficies ferroeléctricas que llevaron al descubrimiento de nuevas formas de conmutación de polarización. El trabajo de Kalinin ha revelado el papel de la pantalla iónica en la superficie ferroeléctrica, a través de una serie de experimentos que incluyen la demostración de la retención potencial por encima de la temperatura de Curie, la inversión potencial y la formación de sombras de la pared de dominio durante la dinámica de la pared. Además, ha demostrado la aparición del caos y la intermitencia durante el cambio de dominio y la ruptura de la simetría de forma de dominio. Más recientemente, su grupo ha introducido las condiciones de contorno basadas en la química para los modelos de campo de fase de ferroeléctricos y ha desarrollado la teoría básica y la formulación de campo de fase para la evolución del dominio. Él y sus colaboradores han demostrado que el estado ferroeléctrico es fundamentalmente inseparable del estado electroquímico de la superficie, lo que lleva a la aparición de estados acoplados electroquímico-ferroeléctrico (ferroiónico), exploraron su termodinámica y la evolución del espesor de este estado y demostraron la vía experimental para establecer su presencia basada en la versión espectroscópica de microscopía de fuerza de respuesta piezoeléctrica.

La charla sobre 30 años de microscopía de sonda de exploración está disponible en: https://www.brighttalk.com/webcast/8013/229945/celebrating-30-years-of-afm-and-stm

Premios y honores

Es receptor de:

Premio Presidencial de Carrera Temprana para Científicos e Ingenieros (PECASE) en 2009, Premio Blavatnik Laureado (2018) y Finalista (2016, 17), Premio IEEE-UFFC Ferroelectrics Young Investigator en 2010, Medalla Burton de la Microscopy Society of America en 2010, ISIF Young Premio al investigador en 2009, Premio Peter Mark Memorial 2008 de la American Vacuum Society, Premio Ross Coffin 2003 y Premios Robert L. Coble 2009 de la Sociedad Americana de Cerámica, medalla RMS para Microscopía de Sonda de Escaneo (2015) 4 premios I + D100 (2008, 2010, 2016 y 2018)

Fue nombrado miembro de la Materials Research Society (2017), Foresight Institute (2017), MRS (2016), AVS (2015), APS (2015) y miembro senior (2015) y Fellow (2017) de IEEE .

Es miembro de los consejos editoriales de Nanotecnología , Journal of Applied Physics / Applied Physics Letters y Nature Partner Journal Computational Materials .

enlaces externos

Referencias