Важнейшие научные результаты

Важнейшие результаты, полученные в ИФТТ РАН в 2018 году

Утверждены на заседании Ученого совета ИФТТ РАН 10 декабря 2018 г.

(протокол № 28)

Тема 0032-2017-0001 Новые функциональные материалы

Работа включена в проект Плана НИР и государственного задания на 2017 год

Раздел II. "Физические науки», подраздел 9. "Физическое материаловедение: новые материалы и структуры, в том числе фуллерены, нанотрубки, графены, другие наноматериалы, а также метаматериалы (в области физики и технологии новых функциональных материалов для эффективного преобразования энергии)". Программы фундаментальных научных исследований государственных академий наук на 2013-2020 годы

Синтез и структура нанокристаллов кубического углерода С₈

Н.С. Сухинина, А.А. Жохов, В.М. Масалов, И.И. Зверькова, С.С. Хасанов, Г.А. Емельченко

Среди большого количества активно исследуемых последние годы углеродных фаз (таких как графен, фуллерен, углеродные нанотрубки, алмаз) существует редко встречающаяся фаза С₈. Данная структурная модификация углерода относится к алмазоподобным фазам, имеет самую высокую плотность среди всех углеродных материалов (4.1 г/см3), превышающей плотность алмаза на 15 %. После первого обнаружения этой фазы в 1979 г. (ФТИ, г. Харьков) в углеродных пленках при конденсации потоков углеродной плазмы в вакууме в мире были выполнены несколько работ по синтезу углеродных квантовых точек со структурой С8. В нашей работе предложен новый простой способ синтеза кубических нанокристаллов (НК) фазы С₈. Показано, что при карбонизации паров антрацена происходит осаждение углеродной пленки на подложку с образованием в ней пластинчатых НК С₈ размером 5-25 нм. Анализ электронограмм и электронно-микроскопических изображений прямого разрешения решетки подтвердил образование углеродных НК С₈ объемноцентрированной кубической структуры с параметром элементарной ячейки 4.08 (0.02) Å (Рис. 1). Предложена гипотеза о возможности образования нанокристаллов С₈ в паровой фазе, получившая подтверждение в эксперименте.

Рис. 1 ПЭМ изображение прямого разрешения атомной решетки НК С₈ (слева) и картина электронной дифракции НК С₈ с участка, показанного на вставке слева.

Публикации

• N.S. Sukhinina, I.I. Khodos, A. Zhokhov, V.M. Masalov, I.I. Zverkova, S.S. Khasanov and G.A. Emelchenko. A novel way of synthesising C₈ cubic carbon nanocrystals.
  CrystEngComm, 2018, 20, 6133-6135, DOI: 10.1039/C8CE01225C

Тема 0032-2017-0002 Физика и технологии новых материалов и структур

Работа включена в проект Плана НИР и государственного задания на 2017 год

Раздел II. "Физические науки»,
подраздел 8. "Актуальные проблемы физики конденсированных сред, в том числе квантовой макрофизики, мезоскопики, физики наноструктур, спинтроники, сверхпроводимости". Программы фундаментальных научных исследований государственных академий наук на 2013-2020 годы
подраздел 9. "Физическое материаловедение: новые материалы и структуры, в том числе фуллерены, нанотрубки, графены, другие наноматериалы, а также метаматериалы (в области физики и технологии новых функциональных материалов для эффективного преобразования энергии)". Программы фундаментальных научных исследований государственных академий наук на 2013-2020 годы

Наблюдение π-периодического ток-фазового соотношения в джозефсоновском переходе с ферромагнитным барьером

А.Н. Россоленко, В.В. Больгинов, В.А. Обознов, Д.С. Баранов, В.В. Рязанов

В джозефсоновских SFS контактах с ферромагнитным (F) барьером в точке перехода в состояние с инверсной разностью сверхпроводящих фаз (π-состояние) в четырех различных экспериментах наблюдалось аномальное «π-периодическое» соотношение между сверхпроводящим током и разностью фаз на джозефсоновском контакте [1]. Обнаруженное состояние соответствует парному (4е) переносу сверхпроводящих (куперовских) электронных пар через джозефсоновский барьер. Это фундаментально новое топологически защищенное сверхпроводящее состояние может быть использовано, например, в топологически защищенных квантовых вычислительных системах. Наблюдение нового состояния стало возможным в результате существенного развития технологии приготовления джозефсоновских SFS контактов в ИФТТ РАН [2].

Рис. Изменение с температурой периода зависимости сверхпроводящего тока I_J через джозефсоновский SFS контакт от разности фаз ϕ на нем. При температуре 2,17 К перехода в состояние с инверсией сверхпроводящих фаз (π-состояние) период становится вдвое меньше, что соответствует «чистому» переносу сверхпроводящего тока парами куперовских пар, тоесть зарядом 4e (где e - заряд электрона).

1. M.J.A. Stoutimore, A.N. Rossolenko, V.V. Bolginov, V.A. Oboznov, A.Y. Rusanov, D.S. Baranov, N. Pugach, S.M. Frolov, V.V. Ryazanov, and D.J. Van Harlingen, Second-Harmonic Current-Phase Relation in Josephson Junctions with Ferromagnetic Barriers,
   Phys. Rev. Lett. 121, 177702 (2018).
2. V.V. Bolginov, A.N. Rossolenko, A.B. Shkarin, V.A. Oboznov, V.V. Ryazanov, Fabrication of Optimized Superconducting Phase Inverters Based on Superconductor-Ferromagnet-Superconductor Junction.
   Journ. Low Temp. Phys. 190 (5-6), 302 (2018).

Расширение кора сверхпроводящего вихря в диффузный нормальный металл, находящийся в контакте со сверхпроводником

O. Скрябина, В.Рязанов

Вихри в сверхпроводящих системах существуют благодаря макроскопической фазовой когерентности. В данной работе [1] как экспериментально, так и теоретически показано, что квантованный вихрь с четко определенным ядром (нормальным кором) может существовать в довольно толстом слое нормального металла, находящемся в контакте со сверхпроводником. С помощью сканирующей туннельной спектроскопии обнаружена вихревая решетка на поверхности медного слоя толщиной 50 нм, нанесенного на сверхпроводящий ниобий. Вихри имеют регулярные нормальные коры в центрах, в которых исчезает наведенная в нормальном металле сверхпроводящая «минищель». Коры в нормальном слое значительно больше, чем коры абрикосовских вихрей в ниобиевом слое, что связано с большей длиной когерентности сверхпроводящих пар в нормальной меди. Представлен также теоретический подход, который обеспечивает полностью самосогласованную картину эволюции вихря с удалением от интерфейса Cu/Nb с учетом сопротивления интерфейса, величины приложенного магнитного поля и температуры. Данная работа открывает путь для точной настройки свойств сверхпроводящих вихрей в гибридных структурах.

Рис. (a, c) STM изображения коров вихрей на поле сканирования 800 нм × 800 нм, полученные при 300 мК в магнитных полях 5 и 55 мТл, соответственно;
(b, d) радиальная эволюция спектров туннельной проводимости вблизи коров вихрей.
Приложенные магнитные поля такие же, как в (а, с).

[1] V.S. Stolyarov et al,
Nature Communications 9, 2277 (2018) 

Квантовый генератор случайных чисел, основанный на пуассоновской статистике фотоотсчетов, со скоростью ≈ 100 Мбит/c

С.Н.Молотков

Представлена экспериментальная реализация квантового генератора случайных чисел. Первичным истоником случайности являются последовательности фотооотсчетов от квазиоднофотонного излучения, которое регистрируется матрицей кремниевых лавинных детекторов -- SiPM (Silicon Photo Multiplier). Использование SiPM позволяет надежно контролировать квантовый характер пуассоновской статистики фототсчетов. Специальный алгоритм неэкспоненциальной сложности позволяет извлекать из пуассоновского процесса всю случайность, содержащуюся в нем, а именно, случайную равномерную последовательность 0 и 1.

Рис.1
a) Таблица для нумерации после(довательностей фотоотсчетов, которая представляет собой известный треугольник Паскаля (см. пример в тексте).
b) Функциональная схема генератора случайных чисел.
c) Внешний вид генератора.

Тема 0032-2017-0003 Когерентные состояния и фазовые превращения в жидких и твердых телах

Работа включена в проект Плана НИР и государственного задания на 2017 год

Раздел II. "Физические науки»,
подраздел 8. "Актуальные проблемы физики конденсированных сред, в том числе квантовой макрофизики, мезоскопики, физики наноструктур, спинтроники, сверхпроводимости". Программы фундаментальных научных исследований государственных академий наук на 2013-2020 годы
подраздел 9. "Физическое материаловедение: новые материалы и структуры, в том числе фуллерены, нанотрубки, графены, другие наноматериалы, а также метаматериалы (в области физики и технологии новых функциональных материалов для эффективного преобразования энергии)". Программы фундаментальных научных исследований государственных академий наук на 2013-2020 годы
подраздел 12. "Современные проблемы радиофизики и акустики, в том числе фундаментальные основы радиофизических и акустических методов связи, локации и диагностики, изучение нелинейных волновых явлений". Программы фундаментальных научных исследований государственных академий наук на 2013-2020 годы

Структура когерентного вихря двумерной турбулентности

М.Ю. Бражников, А.А. Левченко, А.В. Орлов

Экспериментально исследовано формирование когерентного вихря в турбулентном течении, возбуждаемом пространственно-периодической электромагнитной силой в тонком слое проводящей жидкости. Благодаря обратному каскаду двумерной турбулентности энергия течения накапливается на масштабе сравнимом с размерами экспериментальной ячейки, формируется крупномасштабный когерентный вихрь, занимающий большую часть площади ячейки. Впервые был установлен радиальный профиль азимутальной скорости когерентного вихря в системе его дрейфующего центра после выключения накачки: в сердцевине вихря азимутальная скорость возрастает по линейному закону и выходит на постоянное значение вне сердцевины вихря. Экспериментально полученные параметры когерентного вихря хорошо согласуются с теоретическими предсказаниями.

Треки пробных частиц за одну секунду. Радиальный профиль азимутальной скорости когерентного вихря после выключения накачки в системе отсчёта дрейфующего центра вихря.

Реновация структуры аморфно-нанокристаллических сплавов при криовоздействиях

Аронин А.С., Абросимова Г.Е., Волков Н.А., Першина Е.А.

В 2015 году в “Nature” была опубликована статья [1] о возможности реанимирования аморфной структуры (и даже увеличения пластичности) с помощью криотермоциклирования, однако собственно исследования структуры не проводились. В ИФТТ РАН была изучена эволюция структуры аморфной фазы на основе алюминия (Al-Ni-Y, Al-Ni-Gd) при криотермоциклировании (77-373К). Впервые продемонстрировано восстановление аморфной структуры, а также уменьшение доли нанокристаллической составляющей структуры, если она присутствовала до начала криотермоциклирования. На рис. 1 показана начальные участки рентгенограмм, на которых заштрихована область, соответствующая кристаллической части образца до (а) и после (б) криотермоциклирования. Показано, что использование метода криотермоциклирования, действительно, позволяет изменять структуру материала, в том числе осуществлять реновацию частично-кристаллической структуры, что способствует повышению пластичности материала.

Рис. 1. Рентгенограмма частично-кристаллического сплава Al₈₈Ni₆Y₆ до (а) и после (б) криотермоциклирования.

1. Ketov S.V.; Sun, Y. H.; Nachum, Lu, Z , Checchi, A., Beraldin, A. R., Bai, H.Y., Wang, W. H., Louzguine-Luzgin, D. V.,  Carpenter, M. A., Greer, A. L.
   NATURE 524 (2015) N 7564 p. 200

Тема 0032-2017-0004 Коллективные явления в электронных и экситонных системах в полупроводниковых наноструктурах

Работа включена в проект Плана НИР и государственного задания на 2017 год

Раздел II. "Физические науки», подраздел 8. "Актуальные проблемы физики конденсированных сред, в том числе квантовой макрофизики, мезоскопики, физики наноструктур, спинтроники, сверхпроводимости". Программы фундаментальных научных исследований государственных академий наук на 2013-2020 годы

Проявление ферми-арок в Андреевском транспорте на поверхности вейлевского полуметалла WTe2

А.А. Кононов, С.В. Егоров, А.В. Тимонина, Н.Н. Колесников, Э.В. Девятов

В топологических полуметаллах зона проводимости касается валентной зоны в особых точках зоны Бриллюэна (узлах). В вейлевском полуметалле каждый вейлевский узел характеризуется определённой киральностью. В k-пространстве на поверхности Вейлевского полуметалла ферми-контуры представляют собой незамкнутые дуги, соединяющие проекции вейлевских на поверхностную зону. Такие экзотические поверхностные состояния получили название «ферми-арок» .

Мы экспериментально исследовали транспорт через интерфейс между вейлевским полуметаллом WTe2 и сверхпроводящим ниобием. В спектрах дифференциального сопротивления dV/dI (V) на фоне стандартного Андреевского отражения были обнаружены непериодические резонансы внутри сверхпроводящей щели Nb (см рисунок), которые возникают как Томашевские геометрические осцилляции для транспорта вдоль топологического поверхностного состояния с наведенной сверхпроводимостью вблизи интерфейса Nb-WTe2.

Наблюдение отчетливых геометрических резонансов предполагает наличие выделенного направления движения заряда в поверхностном состоянии, что было теоретически предсказано для ферми-арок в вейлевских полуметаллах.

Полный текст работы:

EPL, 122, 27004 (2018)

DOI: 10.1209/0295-5075/122/27004

Контроль отдельных электронных слоев в полевых транзисторах с двухслойным проводящим каналом.

С.И. Дорожкин, А.А.Капустин, И.Б.Федоров

Рис. (a) Зависимости от магнитного поля емкостей между проводящим каналом транзистора и передним (C_FG) и задним (C_BG) затворами. Отмеченные минимумы соответствуют заполнению целого числа спиновых подуровней Ландау ν
(b) Зависимости от напряжения на заднем затворе (V_bg) плотности электронов в двух различных подзонах размерного квантования, образующих двухслойную систему (n_BL и n_FL), а также полной плотности электронов n_tot.

Выполнены исследования полевых транзисторов с высокой подвижностью электронов (HEMT), имеющих нестандартную архитектуру с двумя затворами, расположенными по разные стороны от проводящего канала транзистора. Для таких транзисторов разработана новая емкостная методика исследования свойств электронной системы в канале. Показано, что эта методика позволяет измерять сжимаемость отдельных электронных слоев в случае заполнения двух подзон размерного квантования в асимметричной квантовой яме, реализующей проводящий канал, и определять плотность электронов в каждом из слоев.

• S.I. Dorozhkin, A.A. Kapustin, I.B. Fedorov, V. Umansky, K. von Klitzing and J.H. Smet “Characterization of individual layers in a bilayer electron system produced in a wide quantum well”.
  Journal of Applied Physics 123, 084301 (2018).

Локальный импеданс шероховатой поверхности хирального p-волнового сверхпроводника

А.Ф.Шевчун, М.Р.Трунин

Одним из интереснейших направлений в современной физике твердого тела является изучение свойств нетрадиционных и топологических сверхпроводников. Уникальной оказалась сверхпроводимость в материале Sr₂RuO₄. Нами были проведены измерения поверхностного импеданса в монокристаллах Sr₂RuO₄ в широком частотном диапазоне от 9 ГГц до 42 ГГц, которые демонстрируют необычные свойства этого материала в сверхпроводящем состоянии: малое изменение поглощения СВЧ-излучения при переходе из нормального в сверхпроводящее состояние и необычная температурная зависимость мнимой части импеданса.

Был разработан самосогласованный подход для расчета локального импеданса шероховатой поверхности хирального p-волнового сверхпроводника. Используя квазиклассический формализм Эйленбергера-Ларкина-Овчинникова, был численно найден парный потенциал, спаривающие функции и поверхностную плотность состояний с учетом диффузионного электронного рассеяния на поверхности.

Качественно, особенности Sr₂RuO₄ объясняются в рамках хирального p-волнового спин-триплетного спаривания и возникновения нечетно-частотной сверхпроводимости на поверхности.

Температурные зависимости поверхностного импеданса классического сверхпроводника алюминия (слева) и Sr₂RuO₄ (справа).

• S. V. Bakurskiy, Ya. V. Fominov, A. F. Shevchun, Y. Asano, Y. Tanaka, M. Yu. Kupriyanov, A. A. Golubov, M. R. Trunin, H. Kashiwaya, S. Kashiwaya, and Y. Maeno, Local impedance on a rough surface of a chiral p-wave superconductor,
  Phys. Rev. B 98, 134508 (2018)

Механизм динамики доменной структуры спонтанного электрического поля в индуцированном микроволновым излучением бездиссипативном состоянии.

С.И.Дорожкин

На рисунке:

(a) Сигнал переключений микроволновой фото-ЭДС под облучением частоты 47 ГГц при трех температурах, указанных около кривых. (b) Зависимость от температуры частоты переключений (открытые символы, правая шкала) и проводимости слоя легирования (закрытые символы, левая шкала).

Получены результаты, свидетельствующие о том, что обнаруженная и исследованная авторами динамика доменной структуры спонтанного электрического поля, возникающей в индуцированном микроволновым излучением бездиссипативном состоянии (“zero-resistance state” в англоязычной литературе), обусловлена экранированием поля зарядами слоя селективного легирования, являющегося неотъемлемой частью современных полупроводниковых структур с высокоподвижными двумерными электронными системами. Установлено, что частота переключений спонтанного электрического поля и проводимость слоя легирования зависят от температуры термоактивационным образом (закон Аррениуса) с близкими значениями энергии активации. Этот результат свидетельствует о пропорциональности этих величин, являющейся ключевым моментом модели экранирования.

1. С.И. Дорожкин, V. Umansky, K. von Klitzing and J.H. Smet «Замораживание динамики доменов спонтанного электрического поля в индуцированных микроволновым излучением состояниях с малой диссипацией»
   Письма в ЖЭТФ, 108, 217-222 (2018).
2. С.И. Дорожкин, V. Umansky, K. von Klitzing and J.H. Smet «Динамика доменов спонтанного электрического поля в двумерной электронной системе под микроволновым излучением и проводимость донорного слоя»
   Письма в ЖЭТФ, 107, 68-72 (2018).

Аномально сильное уменьшение затухания плазменных возбуждений в двумерных электронных дисках

П.А. Гусихин, В.М. Муравьев, А.А. Загитова, И.В. Кукушкин

Параметр запаздывания А

В результате экспериментальных работ, проведенных в лаборатории ЛНЭП (ИФТТ РАН) впервые было исследовано затухание плазменных возбуждений в режиме сильного запаздывания. Обнаружено, что в этом режиме затухание плазменных волн оказывается аномально подавлено, вопреки тому, что ранее считалось, что плазменный резонанс наоборот будет существенно уширяться за счет радиационного вклада в затухание плазмонов. Установлено, что зависимость нормированной ширины плазменного резонанса Δωτ от параметра запаздывания A носит универсальный характер. Этот закон был проверен на трёх различных структурах с концентрациями 0.8×10¹¹, 3.9×10¹¹ и 6×10¹¹ см^-2, и обратными транспортными временами рассеяния 9.5×10⁹, 3.4×10¹⁰ и 5.6×10¹⁰ с^-1. Показано, что в режиме сильного запаздывания плазменные волны оказываются слабо затухающими вплоть до комнатной температуры, что открывает большие перспективы для создания эффективных детекторов терагерцового излучения, работающих при комнатной температуре.

Результаты работы были опубликованы в журнале

Physical Review Letters 121, 176804 (2018).

Наиболее значимые результаты института, имеющие инновационный потенциал, полученные в 2018 год

Утверждены на заседании Ученого совета ИФТТ РАН 24 декабря 2018 г.

(протокол № 30)

Раздел II. "Физические науки»,
подраздел 9. "Физическое материаловедение: новые материалы и структуры, в том числе фуллерены, нанотрубки, графены, другие наноматериалы, а также метаматериалы (в области физики и технологии новых функциональных материалов для эффективного преобразования энергии)". Программы фундаментальных научных исследований государственных академий наук на 2013-2020 годы

Люминофор для светодиодов

С.З.Шмурак, В.В.Кедров, А.П.Киселев, Т.Н.Фурсова

Показано, что в образцах RE_1-x-yCe_xTb_yBO₃, где RE – Lu, Gd, Yt, свечение ионов Tb³⁺ наблюдается при возбуждении образца в полосе поглощения ионов Се³⁺, что однозначно свидетельствует о безызлучaтельноv переносе энергии электронного возбуждения от ионов Се³⁺ к Tb³⁺ вследствие кулоновского диполь-дипольного взаимодействия между этими ионами. Установлено, что интенсивность свечения Tb³⁺ при возбуждении в полосе поглощения церия выше интенсивности свечения промышленного люминофора Y₂O₂S(Tb) и превосходит в ~10 раз интенсивность свечения Tb³⁺ при возбуждении в самой интенсивной полосе возбуждения иона Tb³⁺ (λ_max = 236 нм). Это обусловлено высокой эффективностью переноса энергии от ионов Се³⁺ к Tb³⁺, которая определена нами экспериментально и составляет ~ 85%. Показано, что спектр возбуждения ионов Tb³⁺ можно направленным образом смещать в интервале 339 - 367 нм при изменении структурного состояния Lu_1-x-yCe_xTb_yBO₃ - в область свечения промышленных GaN светодиодов.

Учитывая высокую интенсивность свечения, радиационную и химическую стойкость борaтов, их высокую теплопроводность, а также возможность направленного изменения спектра возбуждения, соединение Lu_1-x-yCe_xTb_yBO₃ можно рассмaтривaть в качестве эффективного зеленого люминофора для светодиодов.

• S. Z. Shmurak, , V. V. Kedrov, A. P. Kiselev, T. N. Fursova, and O. G. Rybchenko

  «Energy Transfer from Ce³⁺ to Tb³⁺ in Yttrium and Gadolinium Orthoborates Obtained by Hydrothermal Synthesis»
  Physics of the Solid State, 2018, Vol. 60, No. 12

Монокристаллы BSCCO для THz-излучателей.

А.Б.Кулаков

В течение 4-х лет в ИФТТ РАН предпринимались усилия по разработке технологии выращивания Bi₂Sr₂CaCu₂O₈ (BSCCO) монокристаллов и их последующей фрагментации и отжигу. Параллельно, группой А.Л.Панкратова ИМС РАН (г.Нижний Новгород) разрабатывались излучатели терагерцового диапазона на основе монокристаллов BSCCO. Разработанная в ИМС РАН технология позволяет изготавливать мезы диаметром 0.5 мм способные излучать на частоте 0.8 ТГц [1]. См. вольт-амперные кривые для BSCCO мезы на рис. 1. Неотъемлемым элементом этой технологии являются монокристаллы BSCCO, поставка которых осуществлена ИФТТ РАН.

Эти результаты являются доказательством качества наших BSCCO кристаллов. На текущий момент наш институт является единственным производителем BSCCO кристаллов в России. Если уменьшить концентрацию планарных дефектов в 5раз, наши кристаллы будут представлять интерес для инвестиций.

• L.S. Revin, E.A. Vopilkin, A.L. Pankratov, S.A. Kraev, A.A. Yablokov, A.B. Kulakov. Fast technology for fabrication of thick single Bi₂Sr₂CaCu₂O_8+x mesas on a Cu substrate/.
  Supercond. Sci. Technol. 31(2018)104001(5pp). DOI: 10.1088/1361-6668/aada8.

Слоистые композиты с металлической матрицей, армированные оксидными волокнами, полученными модифицированным методом Степанова.

В.М. Кийко

Разработаны лабораторные технологические схемы и режимы получения диффузионной сваркой слоисто-волокнистых композитов с оксидными волокнами и матрицами на основе титана, ниобия и молибдена. Изготовлены и испытаны на прочность сапфировые, иттрий-алюминиевого граната и эвтектические (сапфир - иттрий-алюминиевый гранат) волокна. Получены зависимости прочности волокон от их длины. Прочность может достигать 4000 МПа на длинах, равным 10 диаметрам волокна. Изготовлены и испытаны на прочность пилотные образцы композитов с сапфировыми волокнами и матрицами на основе титана и ниобия. Для образцов с матрицей на основе титана получена зависимость прочности композитов от температуры в диапазоне 20–900^oC, имеющая максимум при 700^oC.

Разработка оборудования и технологии изготовления профилированных изделий из тугоплавких металлов способом 3D-печати

Борисенко Д.Н., Жохов А.А., Борисенко Е.Б.

Предлагаемый способ изготовления профилированных изделий из тугоплавких металлов реализуется послойным нанесением металла по типу локальной гарнисажной электродуговой плавки. Были разработаны и опробованы источники питания электрической дуги в среде различных газов: аргон, гелий, водород. С помощью контролируемого пинч-эффекта решена задача генерации и стабилизации плазменного канала дуги высокого давления при произвольном профиле сканирования электрода. Подана заявка на патент «Электрод для дуговой плавки металлов». В экспериментах по изготовлению тиглей из молибдена было показано, что скорость печати способом локальной гарнисажной электродуговой плавки в десятки раз выше скорости печати методом селективного лазерного спекания. Следующим этапом была разработка и изготовление оригинального устройства прецизионной подачи порошка в зону плавления для непрерывного ведения процесса наплавки материала. Подана заявка на патент «Шнековый дозатор порошков тугоплавких металлов». С помощью устройства был изготовлен нагревательный элемент из молибдена для индукционной печи (рис.1). При изучении микроструктуры и свойств полученного материала было обнаружено, что пористость при двукратном проходе ванной расплава практически сводится к нулю. Оставшиеся единичные поры содержат вискеры микронного размера.

Рисунок 1. Нагревательный элемент из молибдена для индукционной печи

Сапфировый волновод для ТГц внутриволноводной спектроскопии и интерферометрии в агрессивных средах.

Г.М. Катыба, И.А. Шикунова, И.Н. Долганова, В.Н.Курлов

Разработаны методы высокотемпературной терагерцовой (ТГц) внутриволноводной спектроскопии и интерферометрии с использованием многоканального профилированного кристалла сапфира, который работает одновременно в качестве ТГц волновода и кюветы для исследуемого вещества. С помощью методов вычислительной электродинамики проведен численный расчет геометрии сечения волновода с целью оптимизации дисперсии и потерь при передаче ТГц излучения в одномодовом режиме, либо обеспечения заданного количества и качества волноводных мод для реализации интерференционных принципов измерений. Рассчитан ТГц волновод с одним центральным каналом и двумя рядами каналов фотонно-кристаллической (ФК) оболочки, который обеспечивает высокую эффективность передачи ТГц излучения (низкую дисперсию и потери) в широком спектральном диапазоне от 0,2 до 1,2 ТГц в двухмодовом режиме, поскольку фундаментальная мода и одна из мод высокого порядка обладают самыми низким потерями, которые сравнимы по величине между собой. Разработанный и изготовленный образец ФК ТГц волновода (Рисунок 1) был исследован с использованием численных и натурных экспериментов для подтверждения его технических характеристик, рассчитанных предварительно в ходе численного моделирования. Экспериментальные исследования волновода осуществлялись с применением методов ТГц импульсной спектроскопии (оценка дисперсии и спектральных потерь волноводных мод), а также методов ТГц имиджинга мод (визуализация волноводных мод и их интерференции в сечении профилированного кристалла при его возбуждении непрерывным ТГц излучением). Для демонстрации высокотемпературной ТГц внутриволноводной спектроскопии в частотной области и ТГц волноводной интерферометрии с использованием разработанного сапфирового волновода проведены эксперименты по измерениям фазовых превращений малого количества порошка NaNO₂, введенного в волновод, Рисунок 2. Показана высокая чувствительность разработанной системы, Рисунок 3. Благодаря сочетанию возможностей метода получения профилированных кристаллов сапфира с его уникальными свойствами, разработанный волновод может применяться для проведения ТГц высокоточных спектроскопических измерений в условиях агрессивной окружающей среды при температурах до 1850⁰C.

Рисунок 1. Схема процесса выращивания и изготовленные образцы ТГц сапфировых волноводов.

Рисунок 2. Схема экспериментальной установки для проведения высокотемпературной внутриволноводной интерферометрии NaNO₂.

Рисунок 3.Температурная зависимость спектра пропускания сапфирового волновода с помещенным в него порошка NaNO₂.

Технология химико-механической обработки металлических изделий

Классен Н.В., Классен Е.Н., Кобелев Н.П., Колыванов Е.Л

Запатентована технология химико-механической обработки металлических изделий, основанная на новом приеме глубокого внедрения в приповерхностные слои металлов легирующих элементов, наночастиц, органических молекул посредством локального динамического деформирования поверхности шариковой обкаткой с одновременным нанесением на нее внедряемых материалов. Технология позволяет экспрессно производить механическое упрочнение, антикоррозионную и антиобледенительную защиту несущих конструкций, трубопроводов (включая защиту сварных швов), линий электропередач и т.д. непосредственно по месту их службы в полевых, подводных и прочих условиях. Работа выполнена в рамках международного проекта совместно с НИИ технической акустики Национальной академии наук Белоруссии.

Рис.1. Антиобледенительная обработка алюминия.
Cлева – лужица воды, растекшаяся по поверхности алюминиевой пластины за счет ее смачивания.
Справа – нерастекающиеся капли воды на участке той же пластины после химико-механической обраобтки шариковой обкаткой
с глубоким внедрением в приповерхностный слой водоотталкивающего органического вещества

Рис. 2. Антикоррозионная и антиобледенительная обработка стали.
Слева – капли воды, смачивающие поверхность необработанной стальной пластины.
Справа – капли воды, не смачивающие поверхность той же пластины после химико-механической обработки шариковой обкаткой
с глубоким внедрением водоотталкивающего органического вещества.

Рис.3. Оптическая микрофотография модельного эксперимента, демонстрирующего процесс экспрессного глубокого внедрения инородных веществ
в твердые тела локальным динамическим деформированием шариковой обкаткой.
Показан результат внедрения наночастиц углерода в оптически прозрачный кристалл иодистого цезия.
Обрабатываемая поверхность – сверху. Продолжительность обкатки – 5 минут. Глубина внедрения углерода – 50 микрон.

Важнейшие результаты, полученные в ИФТТ РАН в 2017 году

Тема 0032-2016-0001 Новые функциональные материалы

Раздел II. "Физические науки», подраздел 9. "Физическое материаловедение: новые материалы и структуры, в том числе фуллерены, нанотрубки, графены, другие наноматериалы, а также метаматериалы (в области физики и технологии новых функциональных материалов для эффективного преобразования энергии)". Программы фундаментальных научных исследований государственных академий наук на 2013-2020 годы

Би-кристаллы сульфатов никеля и кобальта состава K₂Ni(SO₄)₂·6H₂O/K₂Co(SO₄)_2*6 H₂O и смешанные кристаллы K₂Ni_xCo_(1-x)(SO₄)₂·6H₂ для солнечно-слепых УФ фильтров

Разработана методика выращивания и впервые получены би-кристаллы сульфатов никеля и кобальта состава K₂Ni(SO₄)₂·6H₂O/K₂Co(SO₄)_2*6H₂O и смешанные кристаллы K₂Ni_xCo_(1-x)(SO₄)₂·6H₂O, демонстрирующие высокую прозрачность (80%) в «солнечно-слепой» области спектра ультрафиолетового диапазона длин волн 200-300 нм и непрозрачность в других диапазонах длин волн, позволяющие приборам, регистрирующим излучение в данном диапазоне спектра, работать при солнечном свете. Именно зонная фильтрация позволяет поддерживать высокое соотношение сигнал/шум и добиваться гигантских (до 10⁸ раз) коэффициентов усиления в УФ диапазоне, обеспечивая уникальную чувствительность аппаратуры. УФ фильтры на основе полученных кристаллов используются для дистанционной инспекции линий электропередач, экологического мониторинга земных и водных пространств, отслеживание траекторий движения ракет и реактивных снарядов.

Рис. 1 Общий вид би–кристалла K₂Ni(SO₄)₂·6H₂O/K₂Co(SO₄)_2*6H₂O и спектр пропускания смешанного кристалла K₂Ni_xCo_(1-x)(SO₄)₂·6H₂.

А. А. Жохов, В. М. Масалов, Г. А. Емельченко, Лаборатория кристаллизации из высокотемпературных растворов ИФТТ РАН, (Совместно с лаб. Волошина А.Э., ФНИЦ «Кристаллография и фотоника» РАН)

1. Vladimir M. Masalov, Natalia A. Vasilyeva, Vera L. Manomenova, Andrei A. Zhokhov, Elena B. Rudneva, Alexey E. Voloshin, Gennadi A. Emelchenko. Growth of mixed K2(Ni,Co)(SO4)2_6H2O crystals under stationary conditions of supercooling and forced convection of the aqueous solution. Journal of Crystal Growth 475 (2017) 21–25

Синтез высокочистых кристаллов GaS

Разработан способ синтеза GaS, позволяющий получать высокочистый однофазный материал, на основе которого выполнено приготовление образцов непрерывного ряда твердых растворов GaSe_1-xS_x (x = 0-1) и исследование их оптических свойств и фазового состава.

Колесников Н.Н., Берзигиярова Н.С., Борисенко Д. Н., Борисенко Е. Б., Гартман В. К., Тимонина А. В., Лаборатория физико-химических основ кристаллизации

Тема 0032-2016-0002 Коллективные явления в электронных и экситонных системах в полупроводниковых наноструктурах

Раздел II. "Физические науки», подраздел 8. "Актуальные проблемы физики конденсированных сред, в том числе квантовой макрофизики, мезоскопики, физики наноструктур, спинтроники, сверхпроводимости". Программы фундаментальных научных исследований государственных академий наук на 2013-2020 годы

Наблюдение стонеровского ферромагнитного перехода в двумерной электронной системе

В гетероструктурах MgZnO/ZnO при четных значениях фактора заполнения уровней Ландау с помощью магнитооптического метода исследованы свойства двумерной электронной системы в режиме ферромагнитной неустойчивости Стонера. Показано, что в условиях пересечения уровней Ландау, вызванного усиленной спиновой восприимчивостью в сочетании с наклоном магнитного поля, переход между двумя конкурирующими фазами - парамагнитным и ферромагнитным - прослеживается в терминах реконструкции оптических спектров. Синхронные резкие превращения наблюдаются как в структуре фотолюминесценции, так и в параметрах коллективных возбуждений при переходе от парамагнитного к ферромагнитному упорядочению. На основе этих измерений построена фазовая диаграмма для перехода от парамагнитного к ферромагнитному упорядочению в терминах двумерной плотности электронов и угла наклона магнитного поля. Спиновая конфигурация во всех случаях однозначно определяется посредством неупругого рассеяния света на спин-чувствительных коллективных возбуждениях. Одним из индикаторов спинового упорядочения является спин-экситон внутризонного уровня, который приобретает большой спектральный вес в ферромагнитных фазах. Из анализа свойств фотолюминесценции и неупругого рассеяния света, мы оценили отношение площадей поверхности, занимаемых областями двух фаз в окрестности точки перехода.

А.Б.Ваньков, И.В.Кукушкин, Лаборатория неравновесных электронных процессов,

1. A. B. Van’kov, B. D. Kaysin and I. V. Kukushkin
   Optical manifestation of the Stoner ferromagnetic transition in 2D electron systems
   PHYSICAL REVIEW B 96, 235401 (2017)

Недиффузионный спиновой перенос

Создан плотный ансамбль долгоживущих спин-триплетных возбуждений в двумерной электронной системе в магнитном поле. При понижении температуры ансамбль претерпевает переход в новое состояние материи - магнетофермионный конденсат. В этом состоянии спиновые возбуждения распространяется на гигантские расстояния (доли миллиметра и более) недиффузионным образом, что открывает новые возможности для манипуляции спиновой степенью свободы электронной системы. Для визуализации распространения спиновых возбуждений в объеме исследуемого образца разработана оригинальная методика фото-индуцированного резонансного отражения.

Л. В. Кулик, А.С. Журавлев, В.В.Соловьев, А.В. Горбунов, В. Б. Тимофеев, И.В. Кукушкин, Лаборатория неравновесных электронных процессов,

Наблюдение циклотронного резонанса Азбеля-Канера в системе двумерных электронов.

Исследовано резонансное микроволновое поглощение двумерной электронной системы в гетероструктуре AlGaAs / GaAs, возбуждаемой методом ближнего поля. Наряду с коллективными модами магнитоплазмонов мы наблюдали резонанс, который точно следует за положением электронного циклотронного резонанса и не обнаруживает коллективного деполяризационного плазменного сдвига. Показано, что обнаруженная циклотронная мода отсутствует в геометрии Фарадея, возбуждается только в геометрии ближнего поля и локализуется на краю возбуждающего металлического электрода. Такое поведение указывает на одночастичный характер обнаруженного резонансного микроволнового поглощения, которое во многом аналогично резонансу Азбеля-Канера, наблюдаемого металлах в условиях неоднородного электромагнитного поля, реализующегося в приповерхностном скин-слое.

Экспериментальное обнаружение тенденции к появлению плоского участка у энергетической зоны на уровне Ферми в сильно коррелированной электронной системе.

1. I. Andreev, V. M. Muravev, V. N. Belyanin, and I. V. Kukushkin
   ”Azbel’-Kaner-like cyclotron resonance in a two-dimensional electron system”
   PHYSICAL REVIEW B 96, 161405(R) (2017)

И.Андреев, В.Муравьев, В Белянин, И.Кукушкин, Лаборатория неравновесных электронных процессов,

Экспериментальное измерение средней по энергии эффективной массы и массы квазичастиц на уровне Ферми,

Используя квантовые ямы SiGe/Si/SiGe ультравысокого качества при милликельвиновых температурах, экспериментально измерена средняя по энергии эффективная масса, m, и масса квазичастиц на уровне Ферми, m_F. Обнаружено, что поведение этих величин при уменьшении электронной плотности качественно различно. С понижением электронной концентрации (или увеличением силы взаимодействия), масса на уровне Ферми монотонно растет во всем диапазоне электронных плотностей, в то время как средняя по энергии масса насыщается при низких плотностях, см. рисунок. Качественно различное поведение является предшественником индуцированного взаимодействием уплощения одночастичного спектра на уровне Ферми в этой электронной системе.

Рис. Произведение Ланде фактора и эффективной массы как функция электронной плотности, определенное по измерениям поля полной спиновой поляризации (квадраты) и Шубниковских осцилляций (кружки) при T ≈ 30 mK. Пустые и заполненные символы соответствуют двум образцам. Принимая во внимание малость обменных эффектов в двумерной электронной системе в кремнии, наблюдаемая разница может быть отнесена только к различию в поведении двух эффективных масс. Верхняя вставка показывает схематично одночастичный спектр электронной системы в состоянии, предшествующем уплощению зоны на уровне Ферми (сплошная черная линия).

1. М. Ю. Мельников, А. А. Шашкин, В. Т. Долгополов, S.-H. Huang, C. W. Liu, S. V. Kravchenko
   Scientific Reports 7, 14539 (2017)

М.Мельников, А.Шашкин, В.Долгополов, лаборатория кантового транспорта

Перенормировка дисперсии квазичастиц в двумерной Ферми-жидкости.

Исследовано изменение низкотемпературных спектров фотолюминесценции двумерных электронов в гетеропереходах MgZnO / ZnO при уменьшении плотности электронов от 2,3 × 10¹² см^-2 до 3,5 × 10¹¹ см^-2. Показано, что значение массы квазичастичной плотности состояний можно прямым образом извлечь из ширины линии фотолюминесценции 2DES и установлено, что дисперсия электронов с сильным взаимодействием претерпевает значительную перенормировку и масса плотности состояний в такой системе может вдвое превышать массу объемного материала, изменяясь от 0.3 m₀ до 0,6 m₀. Эта перенормировка массы двумерных электронов, несомненно, связана с эффектами сильного электрон-электронного взаимодействия, поскольку экспериментальное изменение плотности электронов отвечает значительной вариации параметра взаимодействия r_S, который увеличивается от величины 2,4 до значения 6,5.

1. V.V. Solovyev and I.V. Kukushkin
   “Renormalized Landau quasiparticle dispersion revealed by photoluminescence spectra from a two-dimensional Fermi liquid at the MgZnO/ZnO heterointerface”
   PHYSICAL REVIEW B 96, 115131 (2017)

В.Соловьев, И.Кукушкин, лаборатория неравновесных электронных процессов

Тема 0032-2016-0003 Когерентные состояния и фазовые превращения в жидких и твердых телах

Раздел II. "Физические науки»,
подраздел 8. "Актуальные проблемы физики конденсированных сред, в том числе квантовой макрофизики, мезоскопики, физики наноструктур, спинтроники, сверхпроводимости". Программы фундаментальных научных исследований государственных академий наук на 2013-2020 годы
подраздел 9. "Физическое материаловедение: новые материалы и структуры, в том числе фуллерены, нанотрубки, графены, другие наноматериалы, а также метаматериалы (в области физики и технологии новых функциональных материалов для эффективного преобразования энергии)". Программы фундаментальных научных исследований государственных академий наук на 2013-2020 годы
подраздел 12. "Современные проблемы радиофизики и акустики, в том числе фундаментальные основы радиофизических и акустических методов связи, локации и диагностики, изучение нелинейных волновых явлений". Программы фундаментальных научных исследований государственных академий наук на 2013-2020 годы

Турбулентность на поверхности сверхтекучей жидкости.

Рис.1. Распределение завихренности на поверхности воды через 30 секунд после включения накачки частотой 6.25 Гц. Желтый и синий цвета соответствуют завихренностям противоположных направлений.

Впервые наблюдены макроскопические двумерные вихри на поверхности сверхтекучего гелия-2. Обнаружено, что взаимодействие между неколлинеарными фарадеевскими волнами на поверхности Не-2 в прямоугольной ячейке может приводить к возникновению периодической решетки не только гравитационно-капиллярных волн, но и вихрей, как и на поверхности классической жидкости, например, воды.

Пельменев А.А., Левченко, А.А. Межов-Деглин Л.П. Лаборатория квантовых кристаллов

Нанопоры в полосах сдвига аморфных сплавов

Образование и рост нанопор в полосах деформации при комнатной температуре

Обнаружен способ релаксации свободного объема в аморфных сплавах путем образования наноропор в полосе деформации. Применение подхода Киршнера для кинетики роста выделений второй фазы на межфазной границе для анализа роста нанопор позволило определить значение эффективного коэффициента диффузии в полосе при комнатной температуре. Это значение составило около D~10^-22m²c^-1 для аморфного сплава на основе алюминия, что на 6 порядков больше, чем соответствующее значение коэффициента диффузии в аморфной матрице. Такое высокое значение коэффициента диффузии при комнатной температуре имеет принципиальное значение для оценки стабильности деформированных аморфных и нанокристаллических сплавов.

1. Aronin, D.V., Louzguine-Luzgin,
   On nanovoids formation in shear bands of an amorphous Al-based alloy
   MECHANICS OF MATERIALS, 113 (2017) 19-23, DOI: 10.1016/j.mechmat.2017.07.007.

А.С.Аронин, Лаборатория структурных исследований

Синтез дигидрида тантала

Рис. 1. Результаты рентген-дифракционного исследования в алмазных наковальнях зависимостей V(P) объема тантала при повышении (1) и понижении (2) давления водорода при комнатной температуре, а также значение объема для образца дигидрида тантала, закаленного до температуры жидкого азота под давлением 9 ГПа и затем исследованного при атмосферном давлении и T = 85 K (3). Сплошной линией (4) показана аппроксимация данных для дигидрида тантала уравнением Мурнагана. Пунктирная линия (5) представляет зависимость V(P) для тантала без водорода. Вертикальные стрелки указывают давления фазовых переходов.

При высоких давлениях водорода синтезирован дигидрид тантала. В отличие от известных ранее дигидридов других металлов IVb и Vb групп (Ti, Zr, Hf, V и Nb) c гранецентрированной кубической структурой, синтезируемых при давлениях порядка атмосферного, дигидрид тантала образуется только при давлениях выше 5.5 ГПа, имеет необычную гексагональную плотноупакованную структуру и сверхстехиометрический состав H/Ta = 2.2. Ни в одном другом гидриде высокого давления, полученном за последние 18 лет, содержание водорода не было определено экспериментально. (ИФТТ РАН, ИФХ ПАН, МГУ)

1. M.A. Kuzovnikov, M. Tkacz, H. Meng, D.I. Kapustin, V.I. Kulakov
   “High-pressure synthesis of tantalum dihydride”,
   Phys. Rev. B 96 (2017) 134120-1–134301-6.

М.Кузовников, В Кулаков, Лаборатория физики высоких давлений

Закономерности процесса перемагничивания нанокластерных плёнок

Экспериментально и методом численного моделирования изучены закономерности процесса перемагничивания нанокластерных плёнок Pd_0.99Fe_0.01. Установлен двухкомпонентный характер их намагниченности, обнаружена аномальная магнитная релаксация в таких гетероструктурах. Показано, что плёнки толщиной 20-40 нм обладают необходимыми для использования в элементах спинтроники свой ствами: нанокластерная ферромагнитная подсистема не подавляет сверхпроводимость ниобия и обеспечивает переключение намагниченности за счет процессов вращения с малой коэрцитивностью и характерными временами порядка 10-10 секунды. Наблюдаемая в тонких плёнках Pd0.99Fe0.01 магнитная релаксация не препятствует их использованию в приборах, поскольку наблюдается лишь после переключения магнитного поля.

Слабоферромагнитные сплавы Pd_0.99Fe_0.01, рассматриваются в качестве перспективного материала для реализации джозефсоновской магнитной памяти на основе быстрой одноквантовой логики (Rapid Single Flux Quantum logics). Процессы перемагничивания в них определяют быстродействие записи цифрового состояния разрабатываемых элементов.

Рис.1. Изменение намагниченности (а) и коэрцитивности (б) с температурой для пленок разной толщины и (в) схематическое изображение перемагничивания нанокластерной плёнки через локальные процессы вращения с образованием микровихрей.

1. L.S. Uspenskaya, I.V. Shashkov,
   Influence of Pd0.99Fe0.01 film thickness on magnetic properties.
   Physica B DOI information: 10.1016/j.physb.2017.09.089.

Л.С. Успенская, О.Л. Тихомиров, И.В. Шашков, В.В. Больгинов, Лаборатория реальной структуры кристаллов, Лаборатория сверхпроводимости

Тема 0032-2016-0004 Физика и технологии новых материалов и структур

Раздел II. "Физические науки»,
подраздел 8. "Актуальные проблемы физики конденсированных сред, в том числе квантовой макрофизики, мезоскопики, физики наноструктур, спинтроники, сверхпроводимости". Программы фундаментальных научных исследований государственных академий наук на 2013-2020 годы
подраздел 9. "Физическое материаловедение: новые материалы и структуры, в том числе фуллерены, нанотрубки, графены, другие наноматериалы, а также метаматериалы (в области физики и технологии новых функциональных материалов для эффективного преобразования энергии)". Программы фундаментальных научных исследований государственных академий наук на 2013-2020 годы

Эффект фильтрации спина в наноструктурированном графене, синтезированном на пластинах SiC/Si(001)

Обнаружено большое положительное магнетосопротивление в наноструктурированном графене, синтезированном на поверхности стандартных кремниевых пластин Si(001), предварительно покрытых эпитаксиальным слоем карбида кремния. Показано, что изгиб графенового слоя вблизи междоменных границ приводит к одномерной проводимости (вдоль границ доменов) при низких температурах и накоплению заряда с одним направлением спина на границах. Полученные результаты демонстрируют возможность создания новых наноструктур с уникальными свойствами на пластинах SiC/Si(001), что позволяет адаптировать развитые кремниевые технологии для производства приборов электроники и спинтроники нового поколения на базе графена.

Рис. 1. Расчеты магнетосопротивления (MR) и распределения заряда в графене с междоменной границей (NB). (a) Модель. (b) MR графена, содержащего одну границу, рассчитанное в случае параллельного магнитного поля (Θ=90°). (c) Рассчитанная проводимость G/G₀ в зависимости от химического потенциала µ при величине поля 4 T. (d) Распределение заряда при различных напряжениях V, указывающее на наличие транспортной щели менее 0.3 эВ и высокую плотность заряда вдоль границы. (e) Распределение плотности спинов в направлении z (перпендикулярно плоскости графена) при напряжении смещения 0.4 В, демонстрирующее эффект фильтрации спина из-за локализованных состояний на границе. (f) Схематическое изображение электрического транспорта и эффекта фильтрации спина, обусловленного электронными состояниями вблизи междоменных границ

1. Wu H.-C., Chaika A.N., Aristov V.Yu., Molodtsova O.V., Babenkov S.V., Molotkov S.N. et al.,
   Large positive in-plane magnetoresistance induced by localized states at nanodomain boundaries in graphene,
   Nature Communications 8, 14453 (2017)].

В.Ю. Аристов, А.Н. Чайка, С.Н. Молотков (ЛСПП)

Фазовые переходы при интенсивной пластической деформации

На примере двух сплавов с памятью формы Cu-Al-Ni показано, что мартенситные (бездиффузионные) фазовые переходы при интенсивной пластической деформации могут происходить в сочетании с диффузионными. Так, диффузионные превращения в этих сплавах, вызванные кручением под высоким давлением (КВД), влияют на последующее мартенситное превращение. А именно, КВД этих сплавов привело к выпадению из раствора α₁-фазы в первом случае и γ₁-фазы во втором (как если бы эти сплавы подвергались отжигу при эффективной температуре T_eff = 620±20°C). В результате после КВД оба сплава содержали в основном β'₃ мартенсит с некоторым количеством γ'₃ мартенсита. Полученные результаты открывают новые возможности для использования эффектов памяти формы и сверхупругости в наноструктурированных сплавах Cu-Al-Ni.

Б.Б. Страумал, О.А. Когтенкова, А.А. Мазилкин, Лаборатория поверхностей раздела в металлах

Технологии волокнистых композитов

В Лаборатории армированных систем созданы основы технологии силицид-молибденовых и оксид-молибденовых волокнистых композитов. Разработка этой технологии позволит создать материалы для ключевых элементов газовых турбин, таких как рабочие лопатки, работающие при температурах до 1400^оС, что на 300^о превышает возможности существующих никелевых сплавов и на 100^о выше температуры разрабатываемых зарубежными научными центрами молибденовых сплавов. Работоспособность композитов определяется их трещиностойкостью (Рис. 1), высокой крипостойкостью (Рис. 2) и возможностью защиты от газовой коррозии (Рис. 3). Использование таких композитов в качестве материалов газотурбинного двигателя обеспечит существенное повышение его кпд и сокращение вредных выбросов в атмосферу

Рис. 1. Диаграмма деформирования силицид-молибденового образца с надрезом (размеры – в поле графика), демонстрирующая нехрупкое поведение композита (К_Ic = 26 МПа∙м^1/2).

Рис. 2. Зависимость сопротивления ползучести на базе 100 час силицид-молибденовых композитов от объёмного содержания волокна.

Рис. 3. Испытание оксид-молибденового образца в пламени горелки с температурой газа 1350^оС.

1. S.T. Mileiko,
   High temperature oxide-fibre/metal-matrix composites,
   Materials Chemistry and Physics (2017)

С.Т. Милейко, Новохатская Н.И., Лаборатория армированных систем

ВАЖНЕЙШИЕ РЕЗУЛЬТАТЫ, ПОЛУЧЕННЫЕ В ИФТТ РАН В 2016 ГОДУ

Тема № 8.1 Электронные явления и квантовый транспорт в сильно-коррелированных металлических, полупроводниковых и гибридных системах.

Раздел II. "Физические науки», подраздел 8. "Актуальные проблемы физики конденсированных сред, в том числе квантовой макрофизики, мезоскопики, физики наноструктур, спинтроники, сверхпроводимости". Программы фундаментальных научных исследований государственных академий наук на 2013-2020 годы

1.Прямое наблюдение структуры магнитного потока в ферромагнитных сверхпроводниках EuFe₂(As_1-x,P_x)₂.

Методами низкотемпературной магнитно-силовой микроскопии и декорирования ферромагнитными наночастицами исследована структура магнитного потока на поверхности монокристаллов EuFe₂(As_1-xP_x)₂ с содержанием фосфора 10.0-10.5 ат.%. Впервые в объёмном сверхпроводнике c критической температурой T_sc=22K при охлаждении в нулевом магнитном поле ниже температуры ферромагнитного перехода T_C=18K обнаружена магнитная доменная структура, однозначно указывающая на сосуществование сверхпроводящего и ферромагнитного упорядочения на атомном уровне.

Рис.1. Визуализация магнитного потока с помощью низкотемпературного магнито-силового микроскопа (a,c) и декорирования ферромагнитными наночастицами (b). Рис. a) и c) доменная структура ниже температуры сверхпроводящего T_sc=22K и ферромагнитного T_C=18K переходов. В интервале температур T_C <T< T_sc наблюдается только структура абрикосовских вихрей.

Л.Я. Винников, В.С. Столяров

2. Исследование метастабильной высокотемпературной сверхпроводимости межфазной области раздела Al и его оксида Al₂O₃.

Рис. 1. Температурные зависимости действительной (а) и мнимой (b) частей динамической магнитной восприимчивости образца Al/Al₂O₃. Кривые 1, 2 и 3 получены при H_dc  = 0 , 134  и 268 Э соответственно. Кривые 4 получены после выдержки (~ 25 часов) образца при комнатной температуре (H_аc = 0.43 Э, ν = 949 Гц).

Обнаружена сверхпроводимость при температуре ≈ 65 K в образцах на основе металлических алюминиевых фольг, подвергнутых поверхностному окислению при специальных условиях. Сверхпроводимость образцов возникает в пограничном (интерфейсном) слое, расположенном между фазами металлического алюминия и его оксида Al₂O₃. Установлено, что исследованные сверхпроводники являются нестабильными при нормальных условиях, в то время как хранение образцов при температуре жидкого азота (77 K) позволяет достаточно долго сохранять их сверхпроводящие свойства [1].

1. A.V.Palnichenko, O.M.Vyaselev, A.A. Mazilkin, S.S.Khasanov. Superconductivity in Al/Al₂O₃ interface. Physica C 525-526 (2016) 65-71.

3. Tемпературные, частотные и магнетополевые зависимости комплексной высокочастотной проводимости

Рис.1. Температурная зависимость верхнего критического магнитного поля H_m(T) в гетероструктурах La_1.65Sr_0.45Cu-O₄/ La₂CuO₄ в магнитном поле перпендикулярном (чёрные точки) и параллельном (коричневая кривая), двумерному сверхпроводящему слою толщиной 0,2 нм, в импульсных магнитных полях до 56Т. Красными и синими точками показаны результаты в постоянных полях. Красная сплошная кривая результат теоретической подгонки в модели плавления вихрей [1].

С помощью уникальной техники спирального резонатора впервые исследованы [1,2] температурные, частотные и магнетополевые зависимости комплексной высокочастотной проводимости σ(ω, T) = σ₁(ω, T) - i [ωL_k(ω, T)]^-1, гетероструктур La_1.65Sr_0.45CuO₄/La₂CuO₄ в магнитном поле H параллельном и перпендикулярном к сверхпроводящему двумерному слою толщиной 0,2 нм. Как видно из Рис.1, зависимость H_m(T) не испытывает насыщения при низких температурах, а непрерывно растёт с понижением температуры в противоречии с существующими моделями. Показано, что: (i) температурная зависимость действительной части проводимости, ωReσ(T), имеет температуру сверхпроводящего перехода T_c при более низких на 2К температурах, чем мнимая часть, L⁻¹_k(T); (ii) это аномальное смещение T_c исчезает в слабом поле 0,3Т, а затем опять растёт вплоть до 3Т, (iii) T_c растет с увеличением частоты от 30 кгц до 55 Мгц. Эти особенности обнаружены впервые и свидетельствуют о проявлении перехода Березинского – Костерлица-Тоулесса.

1. V.A. Gasparov, L. Drigo, A. Audouard, Xi He, and I. Božovć, Magnetic field dependence of high-Tc interface superconductivity in La_1.55Sr_0.45CuO₄/La₂CuO₄ heterostructures, Phys. Rev. B94, 014507 (2016).
2. V.A. Gasparov, Xi He, G. Dubuis, D. Pavuna, N. D. Kushch, E. B. Yagubskii, J. A. Schlueter, and I. Bozovic, Magnetic field, frequency and temperature dependence of complex conductance of ultrathin La_1.65Sr_0.45CuO₄ ∕La₂CuО₄  films and the organic superconductors κ-(BEDT-TTF)₂Cu[N(CN)₂]Br, Int. J. Mod. Phys. B 29, 1542012 (2015).

Тема № 8.2 Межчастичные взаимодействия и коллективные явления в электронных и экситонных системах в полупроводниковых наноструктурах

Раздел II. "Физические науки», подраздел 8. "Актуальные проблемы физики конденсированных сред, в том числе квантовой макрофизики, мезоскопики, физики наноструктур, спинтроники, сверхпроводимости". Программы фундаментальных научных исследований государственных академий наук на 2013-2020 годы

1. Переход от классического к зеркальному режиму Андреевского отражения на интерфейсе между сверхпроводником и двумерным полуметаллом.

Эффект Андреевского отражения на границе сверхпроводника (S) и нормального металла (N) обеспечивает транспорт заряда через NS границу при энергиях, меньших сверхпроводящей щели. В классическом режиме Андреевского отражения, отражённая от границы дырка остаётся в зоне проводимости нормального металла. Однако, в тех системах, что активно изучаются в последние годы (графен, вейлевские полуметаллы), возможен иной процесс – дырка оказывается в валентной зоне, так что, в силу иного знака массы, испытывает зеркальное отражение от NS границы. В нашей работе мы экспериментально исследовали процесс Андреевского отражения на интерфейсе между классическим, трёхмерным сверхпроводником (ниобий) и двумерным полуметаллом, реализованным в широкой квантовой яме CdHgTe/HgTe/CdHgTe либо в двуслойной системе InAs/GaSb. Мы обнаружили переход от классического (обратного) к зеркальному режиму Андреевского отражения, проявляющийся как резкий рост дифференциального сопротивления вне некоторого интервала напряжений на NS границе, определяемого спектром двумерного полуметалла, см. рисунок. Мы так же исследовали особенности транспорта заряда в режиме зеркального Андреевского отражения, приводящие к 1/n-периодичным локальным экстремумам дифференциального сопротивления одиночного NS контакта. (А.А. Кононов, Э.В. Девятов, С.В. Егоров, (совместно с ИФП СО РАН)

2. Неравновесная функция распределения двумерных электронов по уровням Ландау под микроволновым излучением

Рис. Индуцированные микровол- новым излучением частоты f=54 ГГц магнетоосцилляции емкости C (MICO, панель a) и магне- тосопротивления (MIRO, панель b). Красными линиями показаны квантовые осцилляции в отсут-ствие излучения.

Обнаружены индуцированные микроволновым излучением магнето-осцилляции емкости полевого транзистора с двумерной электронной системой. В отличие от всех известных магнето-осцилляций в электронном транспорте, возникающих под облучением, период осцилляций магнетоемкости определяется заполнением двух подзон размерного квантования, и только положения биений этих осцилляций даются частотой излучения. Показано, что осцилляции емкости обусловлены перераспределением электронов между подзонами в условиях неравновесного заполнения электронных состояний, осциллирующего по энергии. Таким образом, установлено возникновение нетривиальной неравновесной функции распределения электронов по энергии, происходящего под влиянием микроволнового облучения.

(Physical Review Letters, 2016, 117, 176801 - 1–6.

3. Магнетофермионный конденсат в двумерной электронной системе

Рис. 1 Иллюстрация детектирования растекания магнитофермионного коденсата с помощью световодного зондирования

При возбуждении долгоживущих триплетных магнитоэкситонов в холловском изоляторе с высокой подвижностью электронов, фактором заполнения n=2 и низких температурах, Т<1K , обнаружено принципиально новое коллективное состояние – магнетофермионный конденсат. Конденсированная фаза взаимодействует когерентно с внешним электромагнитным полем, обладает сверхизлучающими свойствами, а также из-за низкой вязкости растекается по поверхности двумерной структуры на макроскопически большие расстояния (>2 мм!, см. рис.). Обнаруженные эффекты являются прямым следствием возбуждения в неравновесной системе двумерных фермионов с полностью квантованным энергетическим спектром магнитоэкситонной составляющей, имеющей бозевскую природу.

Левый световод используется для фотовозбуждения электронной системы. Правая часть из двух световодов используется для регистрации магнитоэкситонов, распространяющихся из пятна возбуждения. На графике показана температурная зависимость интенсивности регистрируемого сигнала (числа добежавших до точки регистрации спиновых магнитоэкситонов) как функция обратной температуры. В точке перехода в «сверхтекучую» фазу сигнал возрастает пороговым образом.

L.V. Kulik, A.S. Zhuravlev, S. Dickmann, A.V. Gorbunov, V.B. Timofeev, I.V. Kukushkin1 & S. Schmult, “Magnetofermionic condensate in two dimensions”, Nature Comm. 7, 13499 (2016).

5. Пространственно-временной хаос и спонтанное упорядочение в поляритонных системах

Рис. 1 Характерный пример неоднородного распределения интенсивности и степени круговой поляризации (показана цветом) в однородной двумерной области резонатора. Такие состояния могут быть постоянными или хаотически изменяющимися. В последнем случае колмогоровская энтропия прошедшего через резонатор света неограниченно возрастает с увеличением латерального размера системы.

Предсказано, что неравновесный бозе-конденсат поляритонов, возникающий под действием резонансно-оптической накачки, может иметь нестационарные состояния в строго постоянных внешних условиях. Прошедшая через плоский микрорезонатор световая волна обнаруживает периодические или хаотические изменения круговой поляризации от +1 до -1 на масштабе времени, сопоставимом со временем жизни поляритона (десятки пикосекунд); подобные решения характерны для квазинульмерных резонаторных "микростолбиков". В одномерных квантовых нитях открывается возможность самоорганизации конденсата за счет спонтанного пространственного разделения областей со спинами +1 и -1 в виде периодической жестко упорядоченной структуры. В двумерных системах дальний порядок сохраняется, но перестает быть жестким и напоминает скорее турбулентную жидкость, чье состояние может быть хаотично в пространстве и времени. Физическая причина предсказанного эффекта заключается в появлении нового канала поляритон-поляритонного рассеяния вследствие пониженной симметрии системы.

S.S. Gavrilov Phys. Rev. B 94, 195310 (2016).

Тема № 8.3 Самоорганизация наноструктурированных систем и физика дефектов в полупроводниках и диэлектриках.

Раздел II. "Физические науки», подраздел 8. "Актуальные проблемы физики конденсированных сред, в том числе квантовой макрофизики, мезоскопики, физики наноструктур, спинтроники, сверхпроводимости". Программы фундаментальных научных исследований государственных академий наук на 2013-2020 годы.

1. Создание композитных зондов для анализа систем с топологическими особенностями в электронных спектрах

Используя сфокусированные ионные пучки, разработана методика создания композитных зондов СТМ из вискера топологического изолятора – сплава Bi-Sb. С помощью подобного зонда получено атомное разрешение на поверхности Sb(111), демонстрирующие высокий потенциал таких зондов для исследования свойств топологических систем.

2. Квантовая криптография

Сделаны оценки дальности передачи ключей через открытое пространство для трех различных протоколов. Для протоколов BB84 и PTC (PhaseTimeCoding) в случае однофотонного источника, и для протокола релятивистской квантовой криптографии RQKD (RelativisticQuantumCryptography) в случае ослабленного лазерного излучения.

Системы релятивистской квантовой криптографии оказались устойчивыми к PNS и UM атакам при любых потерях, а также к атаке с ослеплением детекторов. Единственным фактором ограничивающим дальность передачи секретных ключей, в отличие от других систем, являются темновые шумы однофотонных детекторов. По этой причине, для открытого пространства можно обойтись без строго однофотонного источника.Тем не менее, интересно сравнить скорость передачи ключей в зависимости от потерь в линии связи для нерелятивистских протоколов BB84, протокола с фазово-временн\’ым кодированием (PTC -- PhaseTimeCoding) с однофотонным источником и протокола релятивистской квантовой криптографии RQKD (RelativisticQuantumKeyDistribution) с неоднофотонным источником (ослабленным лазерным излучением). Оказывается, что протокол RQKD обеспечивает гарантированно секретную передачу ключей с б’ольшей скоростью при б’ольших потерях, чем протокол BB84 со строго однофотонным источником. Наибольшую дальность обеспечивает протокол PTC со строго однофотонным источником.

Тема № 8.4 Фазовые превращения, структура (атомная, магнитная, дефектная) и свойства кристаллов, неупорядоченных и композиционных микро- и наносистем при нормальном и высоком давлении

Раздел II. "Физические науки», подраздел 8. "Актуальные проблемы физики конденсированных сред, в том числе квантовой макрофизики, мезоскопики, физики наноструктур, спинтроники, сверхпроводимости". Программы фундаментальных научных исследований государственных академий наук на 2013-2020 годы

1. Фазовые превращения в аморфных и нанокристаллических материалах

Установлено, что в процессе деформации в аморфной фазе происходит процесс композиционного расслоения, приводящий к образованию аморфных областей, характеризующихся разным типом ближнего порядка. Ранее такие изменения наблюдались только при повышении температуры. Радиусы первых координационных сфер образующихся аморфных фаз зависят от химического состава сплава и степени деформации. Степень расслоения при деформации немного ниже, чем после термообработки. Например, в сплаве Al₈₈Ni₆Y₆ радиус первой координационной сферы меняется от 0.289 нм (исходная аморфная фаза) до 0.286 нм (аморфная фаза, обедненная Y) и 0.297 нм (обогащенная Y), в сплаве Al₈₇Ni₈La₅ радиусы первых координационных сфер новых аморфных фаз равны 0.298 нм (обогащенная La) и 0.254 нм (обогащенная Ni). Размер нанокристаллов, формирующихся в неоднородной (двухфазном) аморфном сплаве, меньше размера нанокристаллов, образующихся в однородной аморфной фазе, что важно для получения высокопрочных материалов. (A.Aronin, D.Matveev, E.Pershina, G.Abrosimova “The effect of changes in amorphous phase structure on structure forming upon crystallization” J. All. Comp., in press)

a	b	c

Микроструктура (а), электронограмма (b) и рентгенограмма (с) аморфного сплава Al₈₇Ni₈Gd₅, содержащего аморфные области разного химического состава

2. Расширение температурного диапазона методики термобарической закалки с 400 до 800 °С: первые результаты для системы Mo-H

Рис. 1. T-P диаграмма системы Mo-H. Пунктирные линии – границы между областями α (разбавленные твердые растворы водорода в ОЦК молибдене), ε и γ (ГПУ и ГЦК гидриды Mo) по данным [2]. Ромбики – точки α →γ перехода по данным [1]. Открытые и сплошные кружки – условия образования α и ε фаз в закалочных экспериментах. Сплошная прямая линия – построенная в нынешней работе граница между областями устойчивости α и ε фаз.

Т-P диаграмма системы Мо-Н изучена при P ≤ 6 ГПа и T ≤ 800 °C методом термобарической закалки, разработанным в ИФТТ РАН. Обнаружено, что с ростом давления область устойчивости низкотемпературного ГПУ гидрида MoH1.1 [1] расширяется до 800 °C. Ранее фазовые диаграммы систем металл-водород при температурах выше 450–500°С и давлениях ГПа диапазона изучались только в группе Y. Fukai (Япония) методом in situ рентгеновской дифракции. Данные этой группы об образовании высокотемпературного ГЦК гидрида MoH при T > 480–570 °C [2] не подтвердились, и это указывает на несостоятельность одного из основных выводов их исследований, что все гидриды переходных металлов приобретают ГЦК структуру при высоких температурах и давлениях. (J. Alloys Compounds 672 (2016) 623–629.)

[1] В.Е. Антонов и др., ДАН СССР 248 (1979) 635.

[2] Y. Fukai et al., Mater. Trans. 44 (2003) 1359.

Тема № 9.1 Жаропрочные материалы для новой техники.

Раздел II. "Физические науки», подраздел 9. "Физическое материаловедение: новые материалы и структуры, в том числе фуллерены, нанотрубки, графены, другие наноматериалы, а также метаматериалы (в области физики и технологии новых функциональных материалов для эффективного преобразования энергии)". Программы фундаментальных научных исследований государственных академий наук на 2013-2020 годы

1. Сапфировые терагерцовые фотонно-кристаллические волноводы

Впервые разработаны и изготовлены терагерцовые фотонно-кристаллические волноводы на основе профилированных кристаллов сапфира. Результаты исследования распространения терагерцового импульсного излучения в многоканальных волноводах показали возможность их использования для передачи импульсного излучения с минимальной дисперсией в широком спектральном диапазоне от 1,0 до 1,55 ТГц и рекордно низкими потерями – до 2,0 дБ/м на частоте 1,45 ТГц [1]. Полученные результаты демонстрируют эффективность разработанных волноводов для создания новых терагерцовых методов контроля качества, дефектоскопии и медицинской диагностики. В.Н. Курлов, И.А. Шикунова (совместно МГТУ им. Н.Э. Баумана)

Рис. Слева - сапфировые фотонно-кристаллические волноводы. Справа - экспериментальные результаты передачи терагерцового излучения: (а) эффективный индекс моды n_eff и (b) коэффициент затухания мощности α.

[1] IEEE Transactions on Terahertz Science and Technology 6(4), 576–582 (2016).

Тема № 9.2 Новые функциональные материалы для микроэлектроники, оптоэлектроники и эффективного преобразования энергии.

Раздел II. "Физические науки», подраздел 9. "Физическое материаловедение: новые материалы и структуры, в том числе фуллерены, нанотрубки, графены, другие наноматериалы, а также метаматериалы (в области физики и технологии новых функциональных материалов для эффективного преобразования энергии)". Программы фундаментальных научных исследований государственных академий наук на 2013-2020 годы

1. Разработка стандартного образца для обеспечения единства оптических измерений дзета-потенциала

Дзета-потенциал – основной показатель стабильности коллоидных систем в жидких средах. Коллоидные системы используются во многих областях науки и техники, таких, например, как медицина, фармацевтика, химическая промышленность, обогащение полезных ископаемых, водоочистка, очистка почв от загрязнений и многое другое. Для повышения точности и правильности измерений необходимы сертифицированные эталонные материалы. В настоящее время из-за отсутствия отечественных материалов для этих целей используются европейские и американские стандартные образцы. Для их импортозамещения ФГБУН ИФТТ РАН и ФГУП ВНИИОФИ разработали отечественные стандартные образцы (СО) на основе водной суспензии наночастиц диоксида кремния, синтезированные методом гетерогенного гидролиза тетраэтилортосиликата (ТЕЭС) с использованием экологически чистого катализатора (L-аргинин). Получены частицы диоксида кремния с управляемым электрокинетическим потенциалом, демонстрирующие значения дзета-потенциала (ZP) в диапазоне -30 mV ÷ - 50 mV (Рис.). Г.А. Емельченко, В.М. Масалов, Н.С. Сухинина (совместно с ФГУП «ВНИИ оптико-физических измерений», Москва

Тема № 12.1 Нелинейные процессы в нанокомпозитных магнитных пленках, жидкокристаллических материалах, на поверхности и в объеме квантовой жидкости.

Раздел II. "Физические науки», подраздел 12. "Современные проблемы радиофизики и акустики, в том числе фундаментальные основы радиофизических и акустических методов связи, локации и диагностики, изучение нелинейных волновых явлений". Программы фундаментальных научных исследований государственных академий наук на 2013-2020 годы

1. Нестабильность свободной поверхности сверхтекучего гелия, обусловленная постоянным тепловым потоком в объеме жидкости.

В работе исследована нестабильность поверхности сверхтекучего гелия –II обусловленная относительным движением нормальной и сверхтекучей компонент вдоль поверхности. Эксперименты выполнялись в открытом сверху контейнере частично заполненным жидким гелием размерами 30х24 мм и высотой 5 мм. Стационарный противоток компонент вызывался постоянным потоком тепла в объеме жидкости, идущем от пленочного нагревателя. Нагреватель монтировался на стенке контейнера. На этой стенке и противоположной были сделаны по два отверстия диаметром 2.5 мм для свободного протекания нормальной компоненты из контейнера. Стабильность поверхности контролировалась по мощности отражающегося лазерного луча. Было установлено, что изначально плоская поверхность теряет устойчивость при достижении тепловым потоком некоторой критической величины. На рисунке показана зависимость критической величины теплового потока от температуры жидкости. Точки – экспериментальные данные, полученные при разных временах развертки мощности на нагревателе, сплошная кривая - расчет в рамках модели Коршунова [1,2].

Предполагается, что на поверхности развивается неустойчивость типа Кельвина-Гельмгольца при достижении относительной скорости нормальной и сверхтекучей компонент некоторого критического значения. Разность между экспериментальными данными и теоретической кривой обусловлена, по-видимому, развитием турбулентности в жидком гелии. После перехода поверхности в неустойчивое состояние на поверхности в развивается волновая турбулентность в интервале частот от 10 Гц до 5 кГц. (I. A. Remizov, A.A. Levchenko, L.P. Mezhov-Deglin, J.LTP – 2016. – V. 185. – I. 3. – P. 324–338).

1. S.E. Korshunov, Europhys. Lett. 16, 673 (1991)

2. S.E. Korshunov, JETP Lett. 75, 423 (2002)

2. Двумерная гексагональная структура, образованная упорядоченными топологическими дефектами в смектических наноплёнках

В полярных смектических наноплёнках наблюдалось образование двумерной гексагональной структуры из упорядоченных точечных топологических дефектов с топологическим зарядом S=+1 и пересе<кающихся стенок (см. рис. 1). Ориентация наклона молекул в двумерных слоях противоположна в соседних гексагональных ячейках. Гексагональное упорядочение топологических дефектов предсказывалось теоретически, но до настоящего времени не наблюдалось. Гексагональная структура образуется путём самоорганизации смектических островов большей толщины в двухслойных смектических наноплёнках. Метод, использованный для получения структур из топологических дефектов, может быть использован для получения наноплёнок со сложным двумерным упорядочением (П.В.Долганов, В.К.Долганов Phys. Rev. E, 2016).

ВАЖНЕЙШИЕ РЕЗУЛЬТАТЫ, ПОЛУЧЕННЫЕ В ИФТТ РАН В 2015 ГОДУ

Тема № 8.1 Электронные явления и квантовый транспорт в сильно- коррелированных металлических, полупроводниковых и гибридных системах.

Раздел II. "Физические науки», подраздел 8. "Актуальные проблемы физики конденсированных сред, в том числе квантовой макрофизики, мезоскопики, физики наноструктур, спинтроники, сверхпроводимости".
Программы фундаментальных научных исследований государственных академий наук на 2013-2020 годы

Реализация сверхпроводящих кубитов и преимущества использования в их структуре джозефсоновских p–контактов.
(совместно с МИСиС, Российским квантовым центром, МФТИ и Институтом технологий Карлсруэ, Германия)

В 2015 г реализован первый российский сверхпроводящий кубит и изучены его характеристики.

Рис.1.Микрофотография кубита и его спектр.

Изготовлен также сверхпроводящий потоковый кубит с встроенным инвертором сверхпроводящей фазы(p –контактом, разработанным в ИФТТ РАН [1]. p–контакт позволяет достигать рабочего режима кубита без необходимого в обычном случае внешнего магнитного поля, что должно обеспечить увеличение времен когерентности кубита и сделать архитектуру многокубитных систем более компактной.

Рис.2. Система двух кубитов, связанных с одним микроволновым резонатором. Левый кубит содержит p–контакт и его рабочие (черные) точки, сдвинуты относительно рабочих (красных) точек обычного кубита на пол-кванта магнитного потока (одна из них соответствует отсутствию приложенного поля).

[1] A.V. Shcherbakova et al. Supercond. Sci. Technol. 28, 025009 (2015).

Экспериментальное свидетельство сохранения спиновой когерентности для транспорта вдоль края
двумерного топологического изолятора на макроскопических масштабах длин.

Возможность экспериментально исследовать двумерные топологические изоляторы связана с реализацией режима спинового квантового эффекта Холла. Предполагается, что обнаруженный в этом режиме краевой транспорт обусловлен геликоидальным спин-расщеплённым краевым состоянием, существующем даже в нулевом магнитном поле. С другой стороны, обычный транспортный эксперимент не способен выделить информацию о спиновой структуре краевого состояния. В нашем эксперименте мы использовали ферромагнитные контакты к квантовой яме HgTe с различной ориентацией намагниченности для инжекции и детектирования спин-поляризованных электронов в краевое состояние. Мы продемонстрировали, что в этих условиях краевой транспорт чувствителен к взаимной ориентации намагниченностей контактов даже для макросокопических (200 мкм) расстояний, что является экспериментальным свидетельством наличия спиновой структуры краевого токонесущего состояния для двумерного топологического изолятора, реализованного в квантовой яме HgTe.

Впервые наблюдены «медленные» осцилляции магнитосопротивления вдоль проводящих слоев в квазидвумерных монокристаллах редкоземельных теллуридов TbTe₃ и GdTe₃. Период осцилляции не определяется сечением какого-либо «кармана» на ферми-поверхности, что следует из очень слабой температурной зависимости их амплитуды, а связан с наличием двух близких по частоте осцилляций Шубникова-де Гааза из-за конечного интеграла межслоевого перекрытия t_z. Из экспериментальных данных получена оценка для интеграла t_z ≈ 1meV в этих кристаллах, которую трудно получить другими методами. (P.D. Grigoriev, A.A. Sinchenko, P. Lejay, O. Leynaud, V.N. Zverev, and P. Monceau, “Slow oscillations of in-plane magnetoresistance in strongly anisotropic quasi-two-dimensional rare-earth tritellurides”, http://arxiv.org/abs/1504.06064)

Рис.1 «Быстрые» и «медленные» осцилляции магнитосопротивления на образце GdTe₃ при Т=4.2 К. На вставке правого рисунка показан Фурье-спектр осцилляций.

Доменная структура под микроволновым излучением

На образцах гетероструктур GaAs/AlGaAs с двумерными электронными системами в индуцированном микроволновым излучением состоянии с подавленной диссипацией выполнены исследования обнаруженной ранее нерегулярной перестройки доменной структуры во времени, происходящей без видимых внешних воздействий. Установлено, что основным содержанием эффекта является переворот спонтанного электрического поля доменов. В результате сигнал микроволновой фото-ЭДС меняет знак (рис. 1(a)), а зависимости экстремумов фото-ЭДС от различных параметров оказываются симметричными относительно некоторого значения, которое может быть близко к нулю (рис.1(b)). Такой эффект инверсии поляризации, безусловно, связан со спонтанным нарушением симметрии и предполагает существование неизвестного пока механизма отклика образца на спонтанное электрическое поле. Обнаружено, что перестройка доменной структуры может происходить в форме серий периодических автоколебаний с нерегулярными погасаниями (рис.2).

(Phys. Rev. Lett. (2015), 114, 176808,  Письма в ЖЭТФ (2015),102, 101)

Тема № 8.2 Межчастичные взаимодействия и коллективные явления в электронных и экситонных системах в полупроводниковых наноструктурах

Раздел II. "Физические науки», подраздел 8. "Актуальные проблемы физики конденсированных сред, в том числе квантовой макрофизики, мезоскопики, физики наноструктур, спинтроники, сверхпроводимости".
Программы фундаментальных научных исследований государственных академий наук на 2013-2020 годы

Обнаружение новой слабозатухающей плазменной моды плазменных колебаний в системе двумерных электронов с затвором.

В системе двумерных электронов, с проводимостью, превышающей скорость света, обнаружена новая релятивисткая мода плазменных колебаний, слабозатухающая вплоть до комнатных температур. Необходимым условием ее существования являются: высокая проводимость и наличие близкого металлического затвора, что указывает на поляритонную природу обнаруженной моды. Найдено, что мода имеет аномально узкую ширину линии резонансного поглощения, значительно меньше, чем ожидаемая из времени импульсной релаксации двумерных электронов. Свойства релятивисткой плазменной моды открывают большие перспективы для создания быстрых детекторов и генераторов субтерагерцового излучения, необходимых для развития современных телекоммуникационных устройств.

Рис. 1 Схема эксперимента (а), новая плазменная мода с необычно малой шириной 0.4 ГГц (б), зависимость частоты моды от проводимости электронной системы, (с) влияние температуры на затухание плазменной моды.

V.M. Muravev, P.A. Gusikhin, I.V. Andreev, I. V. Kukushkin “Novel Relativistic Plasma Excitations in a Gated Two-Dimensional Electron System” Phys. Rev. Lett., 114, 106805 (2015)

Тема № 8.3 Самоорганизация наноструктурированных систем и физика дефектов в полупроводниках и диэлектриках

Раздел II. "Физические науки», подраздел 8. "Актуальные проблемы физики конденсированных сред, в том числе квантовой макрофизики, мезоскопики, физики наноструктур, спинтроники, сверхпроводимости".
Программы фундаментальных научных исследований государственных академий наук на 2013-2020 годы

На технологичной вицинальной подложке SiC(001)/Si(001) синтезировано и исследовано с помощью сканирующей туннельной микроскопии и фотоэлектронной спектроскопии однородное покрытие трехслойного графена, состоящее из нанодоменов с одним предпочтительным направлением междоменных границ. Низкотемпературные транспортные измерения демонстрируют, что формирование такой упорядоченной системы нанодоменов приводит к открытию при температурах ниже 100 К транспортной щели, позволяющей достигать больших отношений токов включения/выключения (~10⁴) в трехслойном АВА-графене. Результаты демонстрируют возможность
создания новых наноструктур для приборов наноэлектроники на базе графена на поверхности кубического карбида кремния.

Рис. 1. (a) СТМ-изображение вицинальной поверхности SiC(001). Направление ступеней совпадает с [110]. (b-d) СТМ-изображения трехслойного графена, синтезированного на вицинальной поверхности SiC(001). Решетки в соседних нанодоменах повернуты на углы 17° по часовой (GrR) и 10° против часовой стрелки (GrL) относительно междоменной границы (NB). (e) Схематическая модель границы между асимметрично повернуто доменами на (c) и (d). (f) Схематическое изображение нано-контактов при транспортных измерениях. (g,h) Вольт-амперные характеристики, измеренные при 300, 250, 200, 150, 100, 50, и 10 K. Ток при измерениях направлен перпендикулярно междоменным границам. (i) Кривые dI/dV, демонстрирующие формирование транспортной щели при температурах ниже 150 K. (ACS Nano (2015), 9, 8967-8975)

Токообразующие реакции в электродах ТОТЭ

Объединение методик комбинационного рассеяния света и импедансной спектроскопии, в сочетании с принципиально новой геометрией образцов ТОТЭ, изготавливаемых на основе оптически прозрачных монокристаллических мембран твердого электролита позволило in-situ исследовать кинетику восстановления композиционного электрода ТОТЭ в условиях топливной камеры в широком диапазоне температур. Анализ полученных результатов в сочетании с результатами термогравиметрического анализа (ТГА) проведенный в рамках модели Аврами-Ерофеева (рис. 1) свидетельствует в пользу протекания окислительно-восстановительных на контакте ионный проводника YSZ – электронный проводник (Ni) через образование нанозерен оксида никеля NiO.

Рис. 1. Кривые восстановления NiO в композиционном аноде ТОТЭ, измеренные методами КРС и ТГА в координатах Аврами

Радиационная прочность органических полимеров

Установлено значительное увеличение радиационной прочности органических полимеров при формировании их композитов с неорганическими наночастицами, объясняемое быстрым восстановлением разорванных облучением межатомных связей при закреплении молекул наночастицами (см. рисунок). С другой стороны, впервые обнаружена обратимая пластификация таких композитов рентгеновским облучением, объясняемая инжекцией в полимеры из наночастиц электронных возбуждений, образованных в них поглощением гамма – квантов.

На рисунке: Влияние ультрафиолетового облучения на деформационные кривые чистого полистирола и его композита с наночастицами. Разупрочнение, вызванное облучением, в чистом полистироле (верхняя кривая) гораздо сильнее, чем в композите, и восстановление прочности композита после прекращения облучения происходит значительно быстрее

Тема № 8.4 Фазовые превращения, структура (атомная, магнитная, дефектная) и свойства кристаллов, неупорядоченных и композиционных микро- и наносистем при нормальном и высоком давлении

Раздел II. "Физические науки», подраздел 8. "Актуальные проблемы физики конденсированных сред, в том числе квантовой макрофизики, мезоскопики, физики наноструктур, спинтроники, сверхпроводимости".
Программы фундаментальных научных исследований государственных академий наук на 2013-2020 годы

Управление структурой нанокристаллических материалов

Разработаны принципы управления наноструктурой, образующейся при кристаллизации легких аморфных сплавов под действием температуры и деформации. Определены условия, обеспечивающие максимальное количество потенциальных мест зарождения нанокристаллов и формирование наноструктуры с оптимальными размерами нанокристалов и долей нанокристаллической фазы, приводящие к повышению прочностных свойств. При деформационной и комбинированной термо-механической обработке образование нанокристаллов (рис.1) происходит в области полос сдвига (рис. 2). В аморфно-нанокристаллических образцах Al-Ni-Gd получены близкие к рекордным (1.6 ГПа) для легких сплавов значения прочности (1.5 ГПа, рис. 3). (Adv. Res. Mater. Sci., 2016, принято в печать)

Рис.1 Нанокристаллы, образовавщиеся при деформации	Рис.2. Сетка полос сдвига
Рис.3. Зависимость микротвердости сплава Al87Ni8Gd5 в зависимости от деформации (при вращении под давлением)

Предвестник полимеризации азота в азиде цезия

Азид цезия CsN3 впервые исследован методом рамановской спектроскопии при комнатной температуре и давлениях до 30 ГПа. При повышении давления последовательно происходят переходы в фазу III (при 0,5 ГПа), фазу IV (при 4,3 ГПа) и фазу V (при 19 ГПа). Обнаруженный для фазы V при 27,5 ГПа слабый пик, обусловленный изгибными колебаниями аниона (Рис. 1а), указывает на образование ковалентных связей и возможное начало полимеризации азота, предсказанной теоретически. Неорганические азиды представляют интерес как прекурсоры для синтеза новых полимерных форм азота, а также в связи с возможностью их промышленного применения в качестве инициирующих взрывчатых веществ и источников химически чистого азота. (S.A. Medvedev, O.I. Barkalov, P. Naumov, T. Palasyuk, J. Evers, T.M. Klapötke, C. Felser. J. Appl. Phys. 117 (2015) 165901)

Рис. 1. Характерные спектры рамановского рассеяния CsN₃ в интервале частот решеточных колебаний (a) и в области валентных колебаний (b) при различных давлениях.

Рис. 2. Зависимости частот рамановски активных мод от давления. Вертикальные штриховые линии показывают границы устойчивости фаз.

Тема № 9.1 Жаропрочные материалы для новой техники.

Раздел II. "Физические науки», подраздел 9. "Физическое материаловедение: новые материалы и структуры, в том числе фуллерены, нанотрубки, графены, другие наноматериалы, а также метаматериалы (в области физики и технологии новых функциональных материалов для эффективного преобразования энергии)". Программы фундаментальных научных исследований государственных академий наук на 2013-2020 годы

Получены экспериментальные свидетельства и разработана теоретическая модель, которые свидетельствуют, что диамагнитный оксид цинка может приобретать ферромагнитные свойства (даже при комнатной температуре и без легирования), если оксид цинка – поликристаллический, а размер зерен – достаточно мал. С помошью метода спиновой релаксации мюонов низкой энергии, просвечивающей электронной микроскопии и магнитных измерений показано, что доля объема, обладающего ферромагнитными свойствами в нанокристаллической пленке оксида цинка, пропорциональна доле объема, занятого границами зерен. С помощью метода молекулярной динамики и теории функционала плотности показано, что в границах зерен нелегированного ZnO существуют ферромагнитно связанные электронные состояния (Scientific Reports 5 (2015) 8871)

Амплитуда асимметрии спиновой релаксации мюонов низкой энергии в нулевом поле (обратно пропорциональна доле ферромагнитной фазы) для оксида цинка. В монокристалле доля магнитного объема нулевая, она растет до 35% в ZnO с размером зерен 20 нм.

Направленной кристаллизацией из расплава получены профилированные оксидные эвтектики Al₂O₃-Y₃(Er₃)Al₅O₁₂, Al₂O₃-GdAlO₃ и Al₂O₃-ZrO₂(Y₂O₃), которые обладают высоким сопротивлением ползучести, износостойкостью, коррозионной стойкостью, высокой химической инертностью, прочностью и термоокислительной стойкостью при температурах 1400-1600°С. Уникальное сочетание свойств оксидных эвтектик наряду с возможностью получения из расплава профилированных заготовок близких по своей геометрии к форме конечных изделий открывает широкие перспективы их использования в качестве элементов газотурбинных двигателей (ГТД) для увеличения эксплуатационных температур, ведущих к существенному повышению эффективности многих конструкций.

Вверху: профилированные оксидные эвтектики. Внизу: микроструктура профилированных эвтектик: а) Al₂O₃-Y₃Al₅O₁₂, б) Al₂O₃-GdAlO₃ (диаметр волокон GdAlO₃ 450 нм), в) Al₂O₃-ZrO₂(Y₃Al₅O₁₂).

Новые высокотемпературные композиты c оксидной матрицей

Впервые получены высокотемпературные композиты c оксидной матрицей и молибденовым волокном, трещиностойкость которых соизмерима с трещиностойкостью высокопрочных металлических сплавов, кривые
деформирования композитов носят квази-пластический характер. Введение в состав матрицы молибдат-образующих элементов обеспечивает высокое сопротивление окислению этих композитов. Длительные высокотемпературные выдержки композитов практически не снижают их прочность как при комнатной, так и при высоких температурах. Полученные композиты могут быть основой эффективных жаропрочных, жаростойких и трещиностойких материалов, применение которых в газовых турбинах существенно повысит их кпд.

Тема № 9.2 Новые функциональные материалы для микроэлектроники, оптоэлектроники и эффективного преобразования энергии.

Раздел II. "Физические науки», подраздел 9. "Физическое материаловедение: новые материалы и структуры, в том числе фуллерены, нанотрубки, графены, другие наноматериалы, а также метаматериалы (в области физики и технологии новых функциональных материалов для эффективного преобразования энергии)". Программы фундаментальных научных исследований государственных академий наук на 2013-2020 годы

Новые материалы для источников излучения видимого диапазона

1). Получены новые данные о люминесцентных свойствах 2D структур на основе GaSe (рис. 1) и GaTe, имеющих толщину до 1 элементарной ячейки; исследована оптическая стабильность этих материалов, перспективных для создания новых светоизлучающих приборов видимого диапазона спектра.

Рис. 1. а). 2D структура GaSe толщиной в 1 элементарную ячейку (AFM). b). Результаты измерения толщины этой фольги вдоль черной линии на (а).

2). Исследованы светоизлучающие переходы в ионах Eu, Tb и Tm при комбинированном легировании матрицы Gd₂(MoO₄)₃, что позволило прейти к разработке материалов для конструирования новых экономичных источников света видимого диапазона, на основе более дешевой матрицы литий-боратного стекла (ЛБС). На рис. 2 показаны образцы, сфотографированные при возбуждении люминесценции излучением с длиной волны l_e=365 нм. Важным результатом является получение фотохромных люминесцентных стекол, изменяющих цвет при воздействии УФ излучения (рис. 3) и обладающих полной и мгновенной обратимостью окраски.

Рис. 2. Люминесцентные образцы ЛБС ( l_e=365 нм).

Рис. 3. Изменение окраски фотохромного люминесцентного стекла при относительной интенсивности УФ излучения 25, 50 и 100 % (слева направо).

1. O. Del Pozo-Zamudio, S. Schwarz, M. Sich, A. Akimov, M. Bayer, R.C. Schofield, E.A. Chekhovich, B.J. Robinson, N.D. Kay, O. Kolosov, A.I. Dmitriev, G.V. Lashkarev, D.N. Borisenko, N.N. Kolesnikov, A.I. Tartakovskii. Photoluminescence of two-dimensional GaTe and GaSe films. 2D Materials, 2015, v. 2, 035010.

2. V.V. Sinitsyn, B.S. Redkin, A.P. Kiselev, S.Z. Shmurak, N.N. Kolesnikov, V.V. Kveder, E.G. Ponyatovsky. "White" phosphor on the basis of Gd2(MoO4)3:Eu,Tb,Tm single crystal. Solid State Sciences, 2015, v. 46, p. 80-83.

Фотонные кристаллы в форме сферических микрочастиц

Синтезированы микрочастицы сферической формы размерами от 5 микрон до 50 микрон, сформированные монодисперсными коллоидными частицами SiO2 путем их плотнейшей упаковки в гранецентрированную
кубическую решетку, аналогично опалоподобным структурам. Синтез проводили методом распыления – сушки водной суспензии коллоидных частиц диоксида кремния в воздухе без использования сурфактантов
при комнатной температуре. Такие частицы с контролируемыми размерами и заданной системой пор, специальной структурой и морфологией, перспективны для применения в фотонике, в биологических и химических сенсорах, в катализе, фармакологии и др.

СЭМ изображение микрочастицы диаметром 30 микрон, сформированной из коллоидных частиц SiO2 диаметром 430 нм и спектры отражения от частиц, сформированных коллоидными частицами диаметром 200
нм (λ₂) и 430 нм (λ₄₁).
А.А. Zhokhov, V.М. Masalov, N.S. Sukhinina, D.V. Matveev, P.V. Dolganov, V.K. Dolganov, G.A. Emelchenko, Photonic crystal microspheres, Optical Materials, 49 (2015) 208-212

Тема № 12.1 Нелинейные процессы в нанокомпозитных магнитных пленках, жидкокристаллических материалах, на поверхности и в объеме квантовой жидкости.

Раздел II. "Физические науки», подраздел 12. "Современные проблемы радиофизики и акустики, в том числе фундаментальные основы радиофизических и акустических методов связи, локации и диагностики, изучение нелинейных волновых явлений". Программы фундаментальных научных исследований государственных академий наук на 2013-2020 годы

Критическое влияние формы тонких пленок NiFe на их свойства.

Критическое влияние формы тонких пленок NiFe на их магнитные свойства. Изучено влияние формы и краев низкоразмерных структурированных магнитных пленок Ni₈₁Fe₁₉ (30нм) (Рис.1) на процессы
их перемагничивания. Кинетика процессов преобразования доменной структуры полос, ширина которых была 30, 10 и 3 мкм (A, B, C на Рис.1), регистрировалась с использованием метода магнитооптической индикаторной пленки. Экспериментально и с помощью микромагнитного моделирования (Рис.2) показано, что решающую роль в формировании неоднородного распределения спинов и мод перемагничивания в тонких магнитомягких пленках играют магнитостатические поля, формируемые на краях полос и вблизи их пересечений. В частности, благодаря этому, в полосах, параллельных приложенному полю, вдоль их сторон формируются связанные пары спиновых вихрей. Обнаружена обратно пропорциональная зависимость критических полей HCR их зарождения от ширины b полос (Рис.3). Установлено, что HCR зависит также от размера d (1–5 на Рис.1) структур, внешних по отношению к изучаемым. Полученные результаты важны при разработке элементов спинтроники (Принята в печать в JMMM).

Плотность фотонных состояний жидкокристаллических фотонных кристаллов

Предложен и реализован метод определения плотности фотонных состояний кирального жидкого кристалла с запрещённой фотонной зоной в диапазоне видимых длин волн. Метод основан на связи разности показателей преломления для волн круговых поляризаций с вращением плоскости поляризации света фотонной структурой. Сопоставление эксперимента с расчётом показало, что групповая скорость света vg в середине запрещённой зоны для образца конечной толщины d превосходит скорость света c в вакууме (v_g≈2.05c). Максимумы плотности фотонных состояний определяют длины волн лазерной генерации в фотонной структуре.

Плотность фотонных состояний холестерического фотонного кристалла (сплошная линия), нормализованная на плотность состояний в структуре без фотонной зоны ρ0. Пунктирная кривая – рассчитанная плотность фотонных состояний. Вертикальные прямые – границы фотонной запрещённой зоны. d=5.8 мкм. (Phys. Rev. E 91, 042509 (2015)).

Формирование вихревого движения волнами на поверхности воды.

Впервые наблюден новый механизм формирование вихревого движения волнами на поверхности воды. Экспериментально установлено, что генерация вихрей в ячейке не является особенностью Фарадеевских волн. Показано, что в квадратной ячейке и в цилиндрической ячейке с нарушенной симметрией вихри формируются при амплитудах переменного вертикального ускорения ниже уровня параметрической неустойчивости. Доказано, что формирование вихревого движения в ячейке конечных размеров обусловлено взаимодействием распространяющихся поверхностных волн, имеющих неколлинеарные волновые вектора. (Письма в ЖЭТФ (2015), 102, 486-490)

Рис. 1. Схема эксперимента

Рис.2. Вихревая структура на поверхности воды, образованная стоячими волнами.

На рис. 1 показана схема экспериментов. Регистрация вихревого движения проводилась фотоаппаратом 2 со вспышкой 1.

Поверхность декорировалась полыми стеклянными шариками 3. Квадратный сосуд с водой 5 со стороной 50 мм крепился к платформе 6, которая совершала в вертикальном направлении гармонические колебания. Амплитуда колебаний платформы и частота задавались внешним генератором. Ускорение измерялось акселерометром, прикрепленным к стенке сосуда.

На рис. 2 приведено распределение завихренности на поверхности воды в квадратной ячейке в результате взаимодействия стоячих волн, возникающих при накачке на частоте 45.5 Гц с ускорением 0.44g. Участки красного и синего цвета имеют завихренность (знак rot(v)) противоположного знака. Модуль завихренности растет с повышением амплитуды волн по степенному закону.

Теоретическая модель наблюденного явления построена сотрудниками ИТФ РАН. Теория и экспериментальные результаты находятся в хорошем согласии.