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