Наиболее значимые результаты, полученные в рамках государственного задания ИФТТ РАН в 2019 году

Утверждены на заседании Ученого совета ИФТТ РАН 09 декабря 2019 г. (протокол № 27)

II. Физические науки, направление 9

Электродуговой 3D принтинг изделий из тугоплавких металлов

Д.Н. Борисенко, Е.Б. Борисенко, А.А. Жохов, Б.С. Редькин, Н.Н. Колесников

Разработано оригинальное оборудование и показана принципиальная возможность изготовления профилированных изделий из тугоплавких металлов способом 3D-печати с помощью электрической дуги в атмосфере защитных газов. Предлагаемый аддитивный способ реализуется послойным нанесением металла по типу локальной гарнисажной электродуговой плавки. В экспериментах по изготовлению тиглей из молибдена было показано, что скорость печати на два-три порядка выше скорости печати селективным лазерным спеканием. Примеры полученных изделий показаны на фотографиях.

Тигель из молибдена	Коллинеарный электрод из вольфрама для генерации СВЧ плазмы и сварки металлов в среде защитных газов

Публикации:

1. Д.Н. Борисенко, Е.Б. Борисенко, А.А. Жохов, Б.С. Редькин, Н.Н. Колесников. Оборудование и методика изготовления профилированных изделий из тугоплавких металлов способом 3D печати. ПТЭ, 2019, № 6, с. 112-116. DOI: 10.1134/S0032816219050185

2. Борисенко Д.Н., Колесников Н.Н. Электрод для дуговой плавки металлов. Патент РФ на изобретение № 2682553, опубл. 9.03.2019, Бюл. № 8.
3. Борисенко Д.Н., Жохов, А.А., Майстренко С.П., Хамидов А.М. Шнековый дозатор порошков тугоплавких металлов. Патент РФ на изобретение № 2701277, опубл. 25.09.2019, Бюл. № 27

II. Физические науки, направление 8

Модификация поверхности MoO_2+x/Mo(110) локальным электрическим полем

S.I. Bozhko, Natalia Tulina, Vladimir Bozhko (с соавторами)

Проведены исследования модификации поверхности MoO_2+Х/Mo(110) сильным электрическим полем зонда сканирующего туннельного микроскопа. Приложение импульса напряжения на иглу туннельного микроскопа приводило к удалению кластера атомов кислорода с поверхности. Размер кластера определялся величиной приложенного напряжения и расстоянием игла СТМ-поверхность. Удаление атомов с поверхности происходило только при подаче отрицательного напряжения на иглу СТМ. При такой полярности напряжения сила, действующая на отрицательно заряженный адатом кислорода была направлена по нормали к поверхности и прижимала его к поверхности. При определенном пороговом напряжении с поверхности удавалось удалять единичные адатомы расположенные на расстоянии 0.5нм друг от друга. На левом рис. зелеными стрелками указаны места приложения импульсов электрического поля, на правом синие стрелки указывают на результат приложения электрического поля

На зависимости порогового напряжения от расстояния игла СТМ – поверхность обнаруживается излом при расстоянии где туннельный ток обращается в 0. На базе модельных расчетов структуры MoO_2+Х/Mo(110) в приближении теории функционала плотности предложен механизм модификации поверхности электрическим полем иглы СТМ, состоящий в проникновении адатома в объем образца. Проведены оценки потенциального барьера, который необходимо преодолеть при проникновении в приповерхностный слой. Полученная величина находится в хорошем согласии с потенциальным барьером при электродиффузии атомов кислорода. Удаление атомов кислорода с поверхности происходит при приложении электрического поля ~10⁷ В/см, что согласуется с величиной порогового электрического поля мемристорных переключений в MoO₂.

Публикация:

Sergey I. Bozhko, Killian Walshe, Natalia Tulina, Brian Walls, Olaf Lübben, Barry E. Murphy, Vladimir Bozhko, Igor V. Shvets, «Surface modification on MoO2+x/Mo(110) induced by a local electric potential», Scientific Reports (2019) 9, 1-11.
DOI: 10.1038/s41598-019-42536-9

II. Физические науки, направление 8

Аморфизации частично-кристаллической структуры под действием напряжений, обусловленных криовоздействием

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

Исследовано восстановление аморфной структуры в аморфно-нанокристаллических образцах при криотермоциклировании. Показано, что восстановление аморфной структуры не зависит от причины (деформационной или термической) формирования нанокристаллов в аморфной фазе. Рассчитаны напряжения генерации дислокаций и величины напряжений, обусловленных термическими градиентами между соседними областями в гетерогенной структуре из-за разницы в коэффициентах термического расширения (к.т.р.). Установлено, что для сплава Al₈₇Ni₈Gd₅ напряжение внутри нанокристаллов Al при изменении температуры в интервале 77-393 К может достигать 90 МПа. При циклической нагрузке (росте напряжений, связанных с разницей в к.т.р., и уменьшении предела прочности) криотермоциклирование может приводить к деформационной аморфизации.

Публикация:

G. Abrosimova, N. Volkov, Tran Van Tuan, E. Pershina, A. Aronin «Cryogenic rejuvenation of Al-based amorphous-nanocrystalline alloys», Mater. Let. 240 (2019) 150-152
DOI: 10.1016/j.matlet.2018.12.131

II. Физические науки, направление 9

Экспериментальное наблюдение фотонного крюка

Катыба Г.М., Долганова И.Н., Курлов В.Н., (с соавторами)

Разработана методика ТГц сканирующей зондовой микроскопии на основе гибких сапфировых волокон, используемых в качестве зондов. Высокий показатель преломления в ТГц диапазоне и, соответственно, существенная локализация волноводной моды в сапфировом волокне обеспечивают суб-волновое пространственное разрешение ТГц визуализации, Рис. 1. Впервые проведено экспериментальное наблюдение т.н. «фотонного крюка» (photonic hook, PH) – нового типа фотонного джета, обладающего искривлённой каустикой, Рис. 2. PH формировался на задней стороне диэлектрической призмы с размерами, сравнимыми с длинной волны падающего излучения. В качестве сканирующего зонда использовалось сапфировое волокно диаметром 300 мкм с разрешением системы 0.25 λ. Радиус кривизны наблюдаемого PH был меньшим, чем длина волны, в то время как минимальный размер перетяжки составляет 0.44 λ. Наблюдаемый эффект имеет потенциальный интерес для оптики и фотоники, в частности, для микроскопии со сверхмалым разрешением, в качестве основы для создания оптического пинцета для различных микро- и нано-объектов.

Рис. 1. Схема экспериментальной установки для визуализации РН на основе ТГц сканирующей зондовой

Рис. 2. Результаты моделирования (слева) и экспериментальное наблюдение фотонного крюка (справа).

Публикация:

Minin I.V., Minin O.V., Katyba G.M., Chernomyrdin N.V., Kurlov V.N., Zaytsev K.I. “Experimental observation of a photonic hook” - Applied Physics Letters, 2019, v.114, 031105.
DOI: 10.1063/1.5065899

II. Физические науки, направление 8

Твердые растворы молекулярного водорода в аморфных силикатах магния

В.С Ефимченко, Н.В. Барковский, В.К Федотов, К.П. Мелетов, С.В. Симонов, С.С. Хасанов и К.И. Хряпин

Массивные образцы твердых растворов молекулярного водорода в аморфных силикатах магния Mg_ySiO_2+y (y = 0–0.88) были впервые синтезированы при давлении водорода 75 кбар и температуре 250 °C и закалены до температуры жидкого азота. Закаленные образцы были изучены при атмосферном давлении методами термодесорбции, рентгеновской дифракции и спектроскопии комбинационного рассеяния света. Все образцы растворов оставались аморфными после гидрирования, при этом образцы с y≥0.32 необратимо уплотнялись. В спектрах комбинационного рассеяния света (рис.1) было обнаружено постепенное сужение линии растягивающих H-H колебаний водорода при увеличении количества катионов магния. Данный результат не коррелировал с общим содержанием водорода в образцах и необратимым уплотнением решетки аморфного силиката магния. Различия, вероятно, связаны с различными структурами исходных аморфных силикатов, имевших строение типа кварцевого стекла (SiO₂) при низких концентрациях магния и энстатитового стекла (MgSiO₃) при высоких концентрациях. Таким образом, спектры КРС водорода, растворенного в аморфной силикатной матрице, могут служить индикатором её строения.

Рисунок 1. Спектры комбинационного рассеяния для образцов Mg_ySiO_2+y-XH₂, насыщенных водородом при P=75 кбар и T =250 °C. Черные линии представляют экспериментальные спектры, собранные при Т = -196 °С и атмосферном давлении. Зеленые линии показывают результаты разложения линий H-H растягивающих колебаний. Красными линиями изображены огибающие просуммированных зеленных линий.

Публикация: Vadim S. Efimchenko, Nikolay V. Barkovskii, Vladimir K. Fedotov, Konstantin P. Meletov, Sergey V. Simonov, Salavat S. Khasanov, Kirill I. Khryapin «High-pressure solid solutions of molecular hydrogen in amorphous magnesium silicates» J. Alloys Comp. 770 (2019) 229-235.
DOI: 10.1016/j.jallcom.2018.08.111

II. Физические науки, направление 9

Свойства электронной системы в полевых транзисторах с двойной квантовой ямой

А.А. Капустин, С.И. Дорожкин, И.Б. Федоров (с соавторами)

Выполнены исследования полевых транзисторов с высокой подвижностью электронов (HEMT), имеющих нестандартную архитектуру с двумя проводящими каналами, находящимися в двух близких квантовых ямах GaAs, и двумя затворами, расположенными по разные стороны от проводящих каналов транзистора. Для таких транзисторов разработана новая емкостная методика исследования свойств отдельных электронных слоев, находящихся в разных квантовых ямах. Получены уравнения для емкостей, измеряемых между разными затворами и электронной системой, учитывающие квантовые поправки, связанные со сжимаемостью электронов в разных слоях. В нулевом и квантующем магнитных полях обнаружены проявления отрицательной величины сжимаемости двумерной электронной системы малой плотности. В слое большей плотности обнаружено значительное уширение по магнитному полю областей существования несжимаемой фазы на факторах заполнения разрешенных по спину уровней Ландау 2 и 1, обусловленное заполнением второго слоя. Эффект объясняется стабилизацией состояния квантового эффекта Холла за счет перехода электронов из слоя меньшей плотности. Получены оценки скачков химического потенциала для соответствующих состояний квантового эффекта Холла.

Публикация:

А.А. Капустин, С.И. Дорожкин, И.Б. Федоров, В. Уманский, Ю.Х. Смет Квантовые эффекты в емкости полевых транзисторов с двойной квантовой ямой, Письма в ЖЭТФ 110, 407-413 (2019).
DOI: 10.1134/S0370274X19180103

II. Физические науки, направление 12

Вихри на поверхности нормального гелия He-I, порождаемые термогравитационной конвекцией Рэлея–Бенара в объеме слоя жидкости

А.А. Пельменев, А.А. Левченко, Л.П. Межов-Деглин

Экспериментально обнаружено, что возникновение термогравитационной конвекции Рэлея–Бенара в объеме подогреваемого сверху слоя нормального гелия He-I в неподвижном сосуде при температурах, близких к T_, сопровождается генерацией вихрей на свободной поверхности He-I. Взаимодействие этих вихрей между собой и с вертикальными вихревыми структурами, которые формируются в объеме слоя в процессе установления турбулентной Рэлея–Бенара конвекции, приводит к появлению крупномасштабных вихрей (вихревого диполя) на поверхности. При нагреве слоя жидкости выше 2.3К конвекция Рэлея–Бенара в объеме быстро затухает со временем. В отсутствие накачки, в интервале температур T = 2.6−3.3K максимальные значения энергии крупномасштабных вихрей на поверхности Emax в k-пространстве со временем уменьшаются пропорционально Emax ∼ t−1.

Публикация:

А.А. Пельменев, А.А. Левченко, Л.П. Межов-Деглин «Вихри на поверхности нормального гелия He-I, порождаемые термогравитационной конвекцией Рэлея-Бенара в объеме слоя жидкости», Письма в Журнал Экспериментальной и Теоретической Физики. – 2019. – Т. 110, Вып. 8. – С. 545–550.
DOI: 10.1134/S0370274X19200062

II. Физические науки, направление 8

Протонная проводимость воды в мезо-пористых материалах

И.А. Рыжкин, М.И. Рыжкин, Е.А. Галицкая, В.В. Синицын

Разработана теоретическая модель, объясняющая повышенную протонную проводимость воды в мезо-пористых материалах (проводимость воды, ограниченной в наноканалах превышает протонную проводимость объемной воды на 6-7 порядков). Модель основана на топологической несовместимости правил льда с упорядочением интерфейсных молекул, являющихся следствием взаимодействия молекул воды с ограничивающими стенками. Численные оценки в рамках предложенной модели находятся в количественном согласии с измеренными протонными проводимостями нанопористых материалов с различным химическим составом, степенью кристалличности и морфологией структуры. Модель позволяет выработать рекомендации по изготовлению нанопористых материалов с высокой протонной проводимостью.

Публикация:

I. A. Ryzhkin, M. I. Ryzhkin, A. M. Kashin, E. A. Galitskaya, V. V. Sinitsyn

“High proton conductivity state of water in nanoporous materials”, EPL 126, 36003 (2019)
DOI: 10.1209/0295-5075/126/36003

II. Физические науки, направление 8

Квантовый фазовый переход в ультра-высокоподвижной SiGe/Si/SiGe двумерной электронной системе

М.Ю. Мельников, А.А. Шашкин, В.Т. Долгополов (с соавторами)

Переход металл-изолятор является исключительно важным эффектом для исследования сильных электронных корреляций в двумерных электронных системах в присутствии беспорядка. В этой работе, обнаружено, что в контрасте с предыдущими экспериментами на образцах с меньшей подвижностью, в ультра-высокоподвижных SiGe/Si/SiGe квантовых ямах критическая электронная плотность n_c перехода металл-изолятор становится меньше, чем плотность n_m, где эффективная масса на уровне Ферми стремится разойтись. Обнаружение n_c < n_m указывает, что эти две плотности не связаны напрямую, по крайней мере, в наименее разупорядоченных электронных системах. Вблизи топологического фазового перехода, ожидаемого в точке n_m, металлическая температурная зависимость сопротивления должна быть усилена, что согласуется с экспериментальным наблюдением большего, чем на порядок величины, падения сопротивления с понижением температуры ниже ∼1 K.

Подпись к рисунку: (a) Энергия активации и квадратный корень из порогового напряжения как функция электронной плотности в нулевом магнитном поле. Сплошными линиями показаны линейные аппроксимации, дающие n_c = 0.87 ± 0.02 × 10¹⁰ cm⁻². Верхняя вставка: вольт-амперная характеристика, измеренная при температуре 30 мК в нулевом магнитном поле. Нижняя вставка: Аррениус графики сопротивления в изолирующей фазе для двух электронных плотностей. (b) Зависимость эффективной массы на уровне Ферми m_F от электронной плотности. Сплошной линией показана линейная аппроксимация. На вставке показана крупным планом зависимость при низких электронных плотностях, где n_m = 1.1 ± 0.1 × 10¹⁰ cm⁻².

Публикация: M.Yu. Melnikov, A.A. Shashkin, V.T. Dolgopolov, Amy Y.X. Zhu, S.V. Kravchenko, S.-H. Huang, C.W. Liu «Quantum phase transition in ultrahigh mobility SiGe/Si/SiGe two-dimensional electron system», Phys. Rev. B 99, 081106(R) (2019).
DOI: 10.1103/PhysRevB.99.081106

II. Физические науки, направление 8, тема 0032-2019-0012
Когерентные состояния и фазовые превращения в жидких и твердых телах

Сверхпроводимость при 250 K в гидриде лантана при высоких давлениях

M. A. Kuzovnikov (с соавторами)

Первопринципными расчетами в рамках теории функционала плотности предсказано существование нового семейства сверхпроводящих поли- (или супер-) гидридов с клатратной кристаллической структурой, в которой атомы металла (кальция, иттрия, лантана) расположены в центре полостей, сформированных атомами водорода. Согласно этим расчетам, у полигидридов LaH₁₀ и YH₁₀ температура T_c сверхпроводящего перехода должна составлять от 240 до 320 K при мегабарных давлениях. В представленной работе экспериментально получен гидрид LaH₁₀ с максимальным значением T_c ≈ 250 K при давлении 170 ГПа (см. рисунок). Наличие сверхпроводимости подтверждено наблюдением нулевого электросопротивления, изотопной зависимости T_c (образец LaD₁₀ имел T_c ≈ 180 K в согласии с теорией) и понижения T_c во внешнем магнитном поле (критическое поле H_c2 = 136 Tл при T = 0 K). Полученное значение T_c = 250 K у LaH₁₀ примерно на 50 K превышает достигнутое в 2015 году рекордное значение температуры сверхпроводящего перехода у соединения H₃S и является серьезным шагом к достижению сверхпроводимости при комнатной температуре.

Публикация: A.P. Drozdov, P.P. Kong, V.S. Minkov, S.P. Besedin, M.A. Kuzovnikov, S. Mozaffari, L. Balicas, F.F. Balakirev, D.E. Graf, V.B. Prakapenka, E. Greenberg, D.A. Knyazev, M. Tkacz, M.I. Eremets. Superconductivity at 250 K in lanthanum hydride under high pressures // Nature 569 (2019) 528–531.
DOI: 10.1038/s41586-019-1201-8

II. Физические науки, направление 8, тема 0032-2019-0015
Коллективные явления в электронных и экситонных системах в полупроводниковых наноструктурах

Поверхностная сверхпроводимость как результат формирования плоской зоны в дираковском полуметалле Cd3As2

О.О. Швецов, В.Д. Есин, А.В. Тимонина, Н.Н. Колесников, Э.В. Девятов

Специфический энергетический спектр топологических полуметаллов может приводить к формированию поверхностных плоских зон. Эта тематика привлекает повышенное внимание, так как, например, предсказано, что формирование плоской зоны должно приводить к резкому повышению температуры сверхпроводящего перехода в силу высокой плотности состояний в плоской зоне.

Мы экспериментально исследовали транспорт через интерфейс между дираковским топологическим полуметаллом Cd3As2 и нормальным металлом (золото). Для такого интерфейса, полученные спектры дифференциального сопротивления dV/dI(V) демонстрируют спектры стандартного Андреевского отражения с чётко определённой сверхпроводящей щелью, что крайне неожиданно для системы из двух несверхпроводящих в объёме материалов и приводит к заключению о поверхностной (интерфейсной) сверхпроводимости. Появление поверхностной сверхпроводимости оказалось устойчивым к качеству поверхности Cd3As2 и связано с образованием плоской зоны на интерфейсе, что было предсказано теоретически для топологических полуметаллов. Данное заключение подтверждается температурной и магнетополевой зависимостями dV/dI(V) кривых. Возникновение плоской зоны на поверхности Cd3As2 так же подтверждается результатами по ARPES.

Публикация:

Phys. Rev. B 99, 125305 (2019),
DOI: 10.1103/PhysRevB.99.125305

II. Физические науки, направление 8, тема 0032-2019-0015
Коллективные явления в электронных и экситонных системах в полупроводниковых наноструктурах

Предсказание и экспериментальное обнаружение первого антиферромагнитного топологического изолятора

V.N. Zverev (с соавторами)

Используя теорию функционала плотности, предсказано, а затем экспериментально подтверждено исследованиями структуры, транспортных, магнитотранспортных и магнитных свойств, а также фотоэмиссионной спектроскопии с угловым и спиновым разрешением, что реализована антиферромагнитная фаза топологического изолятора на основе слоистого кристалла MnBi₂Te₄. Установлено, что на поверхности (0001) кристалла MnBi₂Te₄ имеется гигантская энергетическая щель в топологическом поверхностном состоянии, что подтверждается вычислениями на основе первопринципов (ab-initio) и из измерений фотоэмиссии. Предсказано, что в данном кристалле возможно наблюдение ряда интересных фундаментальных явлений таких, как квантованный аномальный Холл (QAH), магнитоэлектрический эффект, аксионная электродинамика, майорановские фермионы и др..

Рис. 2.1. Особенности на температурных зависимостях сопротивления и магнитной восприимчивости указывают на наличие AFM-перехода при температуре 24.2 К в соответствии с результатами расчета методом Монте-Карло.

Рис. 2.2. Данные ARPES со спиновым разрешением вдоль К-Г-К направления зоны Бриллюэна. Желтая и голубая кривые показывают положение состояний на конусе Дирака.

Публикация: M. M. Otrokov, I. I. Klimovskikh, H. Bentmann, A. Zeugner, Z. S. Aliev, S. Gass, A. U. B. Wolter, A. V. Koroleva, D. Estyunin, A. M. Shikin, M. Blanco-Rey, M. Homann, A.Yu. Vyazovskaya, S. V. Eremeev, Yu. M. Koroteev, I. R. Amiraslanov, M. B. Babanly, N. T. Mamedov, N. A. Abdullayev, V. N. Zverev, B. Buchner, E. F. Schwier, S. Kumar, A. Kimura, L. Petaccia, G. Di Santo, R. C. Vidal, S. Schatz, K. Kiner, C. H. Min, Simon K. Moser, T. R. F. Peixoto, F. Reinert, A. Ernst, P. M. Echenique, A. Isaeva, and E. V. Chulkov, “Prediction and observation of the first antiferromagnetic topological insulator”, Nature, 576, 19/26, 416-437 (2019).

II. Физические науки, направление 8, тема 0032-2019-0015
Коллективные явления в электронных и экситонных системах в полупроводниковых наноструктурах

Перенормировка обменной энергии в квантово-Холловских ферромагнетиках с аномально сильным взаимодействием

А.Б. Ваньков, Б.Д. Кайсин, И.В. Кукушкин (с соавторами)

В ферромагнитной двумерной электронной системе с очень сильным взаимодействием, реализующейся при факторе заполнения 1, обнаружено необычное изменение масштаба обменной энергии, а также изменение зависимости обменной энергии от электронной плотности. Установлено, что в широком диапазоне электронных концентраций (при r_s> 7), эта обменная энергия близка к циклотронной энергии, что кардинально отличается от привычной концентрационной зависимости и от масштаба, которые диктуются формулой , привычной для электронных систем с относительно слабым взаимодействием. Обменная энергия измерялась в экспериментах по неупругому рассеянию света из энергии коллективных спин-флип возбуждениях в гетероструктурах MgZnO/ZnO. Установлено, что обнаруженная перенормировка обменного взаимодействия связана со смешиванием электронных состояний на высоких незаполненных уровнях Ландау. Обнаруженный экспериментально эффект удалось объяснить в теоретических вычислениях, в которых адекватно учитывались эффекты экранирования кулоновского взаимодействия.

Рис.1 Зависимость обменной энергии от концентрации 2D-электронов при ν = 1. Черные символы обозначают экспериментальные данные. Черная пунктирная линия зависимость циклотронной энергии (дана для сопоставления). Зеленая штриховая линия (ED) - расчет методом точной диагонализации и синяя штрих-пунктирная линия (HFA) — расчет в приближении Хартри-Фока с учетом экранировки взаимодействия. Фиолетовая пунктирная линия показывает расчетную энергию без учета смешивания уровней Ландау.

Публикация:

А.B.Van’kov, B.D.Kaysin, S.Volosheniuk, I.V.Kukushkin, Phys.Rev. B 100, 041407 (2019), “Exchange energy renormalization in quantum Hall ferromagnets with strong Coulomb interaction”

II. Физические науки, направление 9, тема 0028-2019-0020
Новые функциональные материалы и структуры

“In-situ” исследования химических превращенийв электродах твердооксидных топливных элементов (ТОТЭ) методом спектроскопии комбинационного рассеяния света (КРС)

Д.А. Агарков, И.Н. Бурмистров, Г.М. Елисеева, И.И. Тартаковский, В.В. Хартон, С.И. Бредихин

Рисунок 1. Зависимость интенсивности выделенной спектральной линии с частотой сдвига 460 см^-1 (полносимметричное колебание CeO₂) от величины прикладываемой нагрузки.

Впервые “in-situ” изучены процессы переноса заряда и особенности протекания токогенерирующих окислительно-восстановительных реакций в композиционных анодах твердооксидных топливных элементов (ТОТЭ) в зависимости от плотности тока, текущего через ТОТЭ, и состава топливной газовой смеси в анодной камере.

Обнаружено, что ток, текущий через ТОТЭ, приводит к изменениям зарядового состояния катионов церия в аноде (рисунок 1), что является доказательством прямого переноса кислорода из твердого электролита в композиционный анод по механизму “oxygen spillover”. Определено локальное соотношение трёх- и четырёхвалентного церия и локальный химический потенциал кислорода на интерфейсе электрод-электролит в зависимости от парциального давления водорода в анодной камере и величины плотности тока, текущего через ТОТЭ.

Публикации:

1. D.A. Agarkov, M.A. Borik, S.I. Bredikhin, I.N. Burmistrov, G.M. Eliseeva, V.A. Kolotygin, A.V. Kulebyakin, I.E. Kuritsyna, E.E. Lomonova, F.O. Milovich, V.A. Myzina, P.A. Ryabochkina, N.Yu. Tabachkova, T.V. Volkova “Structure and Transport Properties of Zirconia Crystals Codoped by Scandia, Ceria and Yttria”
   Journal of Materiomics, vol. 5, pp. 273-279 2019 (Q1).
2. D.A. Agarkov, I.N. Burmistrov, G.M. Eliseeva, I.V. Ionov, S.V. Rabotkin, V.A. Semenov, A.A. Solovyev, I.I. Tartakovskii, S.I. Bredikhin “Comparison of In-situ Raman Studies of SOFC with Thick Single-crystal and Thin-film Magnetron Sputtered Membranes”
   Solid State Ionics, vol. 344, p. 115091 2020 (Q1).

II. Физические науки, направление 8, тема 0032-2019-0015
Коллективные явления в электронных и экситонных системах в полупроводниковых наноструктурах

Обнаружение топологической защиты в свете нарушения симметрии по обращению времени

С.В. Петруша, Е.С. Тихонов, В.С. Храпай (с соавторами)

Экспериментально обнаружен эффект гигантского магнитосопротивления в краевой проводимости квантовых ям HgTe/CdHgTe с инверсной зонной структурой в режиме спинового квантового эффекта Холла. Рост сопротивления на несколько порядков величины в магнитных полях масштаба 10 мТл сопровождается переходом к экспоненциальной температурной зависимости и проявлением сильнейших мезоскопических флуктуаций проводимости. Эти наблюдения свидетельствуют о переходе в состояние одномерного Андерсоновского изолятора и являются первой надежной демонстрацией топологической защиты краевых состояний от рассеяния в нулевом магнитном поле.

Рисунок. Двухтерминальные измерения образца в режиме квантового спинового эффекта холла. (a) Двухтерминальное сопротивление в линейном отклике для края длиной 6 мкм в образце D1 (8.3 нм квантовая яма) в зависимости от затворного напряжения при температуре T = 50 мК и при различных значениях перпендикулярного магнитного поля B_⊥. (b) Двухтерминальное сопротивление в линейном отклике для края длиной 38 мкм в образце D1 в зависимости от затворного напряжения, измеренное при T = 50 мК и при T = 800 мК с и без магнитного поля B_⊥= 50 мТ. На вставках панелей (a) и (b) показана структура образца и соответствующая измерительная схема. (c) Влияние магнитного поля на электронные состояния в квантовом спиновом эффекте Холла. Для B = 0 предсказан бесщелевой спектр со связанными импульсом и спином электрона (слева вверху), при этом влияние случайного потенциала на движущиеся электроны отсутствует по причине топологической защиты (справа вверху). Волновая функция электрона Ψ в этом случае соответствует свободному распространению вдоль края, Ψ∼e^ikx. При ненулевом B в спектре открывается зеемановская щель и распространяющиеся навстречу ветви спектра более не состоят из электронных состояний с противоположным спином, гибридизуясь вблизи точки Дирака (слева внизу). Как следствие, топологическая защита нарушается и беспорядок приводит к рассеянию электронов назад и локализует их (справа внизу), огибающие волновых функций электронов затухают экспоненциально на длине локализации ξ, Ψ∼e^−x/ξ.

Публикация:

Phys. Rev. Lett. 123, 056801 (2019)
DOI: 10.1103/PhysRevLett.123.056801

II. Физические науки, направление 8, тема 0032-2019-0014
Физика и технологии новых материалов и структур

Наблюдение спонтанных вихревых и мейснеровских доменов в ферромагнитном сверхпроводнике

Л.Я. Винников, М.С. Сидельников, С.В. Егоров, О.В. Скрябина (с соавторами)

В монокристалле ферромагнитного сверхпроводника EuFe₂(As_0.79P_0.21)₂ с температурой сверхпроводящего перехода T_sc=22 К и температурой Кюри T_C=18 К при понижении температуры ниже T_C обнаружено сначала спонтанное возникновение доменов сверхпроводящей мейснеровской фазы, а затем доменов абрикосовских вихрей, что однозначно свидетельствует о сосуществовании на атомном масштабе двух антагонистических кооперативных спиновых явлений: сверхпроводимости и ферромагнетизма. Визуализация перехода мейснеровского состояния доменов в вихревое при возрастании c понижением температуры собственной намагниченности в ферромагнитном сверхпроводнике [1] стала возможной только благодаря использованию развитой в ИФТТ РАН уникальной высокоразрешающей методики декорирования структуры магнитного потока для низких температур [2].

Рис. Структура спонтанных вихревых (слева) и мейснеровских (справа) доменов, полученная методом декорирования магнитными наночастицами при низких температурах (≤18K).

Публикации:

1. Л.Я. Винников, И.С. Вещунов, М.С. Сидельников, В.С. Столяров, С.В. Егоров, О.В. Скрябина, В. Джао, Г. Цао, Т. Тамегай, Прямое наблюдение вихревых и мейснеровских доменов в монокристалле ферромагнитного сверхпроводника EuFe₂(As_0.79P_0.21)₂, Письма в ЖЭТФ 109, с. 530-534 (2019).

2. Л.Я. Винников, И.С. Вещунов, М.С. Сидельников, В.С. Столяров, Высокоразрешающая техника декорирования структуры магнитного потока для низких температур, Приборы и техника эксперимента 4, с. 141-147 (2019).

Наиболее значимые результаты института, готовые к практическому применению, полученные в ИФТТ РАН в 2019 году

II. Физические науки, направление 8

Портативный универсальный газоанализатор на основе рамановского рассеяния с использованием полых фотонно-кристаллических световодов

А. Б. Ваньков, С. И. Губарев, В. Е. Кирпичев, Е. Н. Морозова, М. Н. Ханнанов, Л. В. Кулик, И. В. Кукушкин

Разработана и реализована конструкция портативного устройства на основе рамановского спектрометра и полого фотонно-кристаллического оптоволокна, позволяющая более чем на два порядка повысить уровень сигнала неупругого рассеяния света на различных газовых смесях, по сравнению с сигналом c открытого объема газа. В настоящий момент получена количественная точность определения состава газовой смеси на уровне 0.5%, а предел чувствительности ~300ppm (part per million) для любых многоатомных газов, включая органические и неорганические, в том числе неактивные в ИК-поглощении (водород, хлор, фтор). Предложены варианты дальнейшего увеличения чувствительности системы, что позволит использовать ее для онлайн-мониторинга состава газовых смесей с концентрацией компонентов до 100ppb. Возможное применение — экологический мониторинг атмосферы, сфера безопасности, медицинские анализы. Внедрение данного вида газоанализатора экономически целесообразно ввиду его неселективности, высокой точности определения (сравнимой с хроматографической), отсутствию расходных материалов,

Рис 1. Конструктивная схема оптоволоконного рамановского газоанализатора и спектры рамановского рассеяния света, полученные от смеси пропана и воздуха.

Публикация: А. Б. Ваньков, С. И. Губарев, В. Е. Кирпичев, Е. Н. Морозова, М. Н. Ханнанов, Л. В. Кулик, И. В. Кукушкин, Прикладная физика, 2019, № 4, стр. 87- 91. «Портативный газоанализатор на основе волоконного рамановского спектрометра».

Подготовлена заявка на изобретение: «Портативный универсальный газоанализатор многокомпонентных смесей на основе волоконно-усиленного рамановского рассеяния»

II. Физические науки, направление 9

Сапфировые игловые капиллярные облучатели для внутритканевой доставки лазерного излучения в терапии и хирургии опухолей

И.А. Долганова, И.А.Шикунова, Г.М. Катыба, А.К.Зотов, В.Н.Курлов (с соавторами)

Разработаны инструменты для локального лазерного облучения при терапии и хирургии опухолей путем лазерной интерстициальной термотерапии и фотодинамической терапии. Облучатель представляет собой прозрачный для излучения сапфировый капилляр с закрытым с одной стороны каналом, в котором расположено кварцевое волокно, присоединенное к источнику лазерного излучения или к спектрометру. Разработанный метод выращивания сапфировых капилляров позволяет получать кристаллы с поверхностями, которые не требуют обработки, а также прецизионно формировать закрытый конец капилляра. Сформирован набор облучателей для получения пучков излучения с требуемой диаграммой направленности, включая облучатель с диффузором. Облучатели обеспечивают улучшенный контроль распределения излучения в ткани и выделяемого тепла, обладают существенно расширенным диапазоном допустимой мощности лазерного излучения по сравнению с аналогами, могут применяться для различных задач онкологии и хирургии.

Сапфировые игловые капиллярные облучатели для внутритканевой доставки лазерного излучения

Публикация: I.N. Dolganova, I.A. Shikunova, G.M. Katyba, A.K. Zotov, E.E. Mukhina, M.A. Shchedrina, V.V. Tuchin, K.I. Zaytsev, V.N. Kurlov “Optimization of sapphire capillary needles for interstitial and percutaneous laser medicine” - J. of Biomedical Optics, 24(12), 128001 (2019).
DOI: 10.1117/1.JBO.24.12.128001

II. Физические науки, направление 9

Улучшенный гамма-локатор для экспрессной локализации злокачественных узлов в процессе хирургической операции

Орлов А.Д., Классен Н.В., Шмурак С.З., Кедров В.В., Шу Э.Д., Чувалова К. А.

Разработан прецизионный гамма-локатор для экспрессной локализации злокачественных узлов при хирургических операциях по удалению опухолей. Главные преимущества гамма-локатора по сравнению с зарубежными и отечественными аналогами данного назначения: благодаря применению для детектирования гамма-излучения упрочненных сцинтилляционных кристаллов на основе бромида лантана, разработанных в ИФТТ РАН, высокая чувствительность сочетается с надежностью и неприхотливостью прибора; коллиматор из тяжелого металла, необходимый для точности локализации, одновременно служит защитным корпусом, что значительно уменьшает габариты и вес гамма-локатора; многоступенчатая световая и звуковая сигнализация позволяет хирургу быстро и точно определять расположения злокачественных клеток, не отрывая взгляда от скальпеля. Опытные образцы гамма-локатора испытывались в ведущих онкологических клиниках, представивших положительные отзывы об удобстве и точности прибора. Высокий инновационный потенциал прибора характеризуется, в частности, официальным письмом заместителя директора ФГБУ «Национальный медицинский исследовательский центр онкологии имени Н.Н. Блохина» по развитию онкологической помощи в регионах А.В. Петровского, подтверждающего готовность к широкому использованию прибора (копия письма прилагается).

Иллюстрации

Рис. 1. Схема чувствительного элемента улучшенного гамма-локатора для экспрессной локализации злокачественных узлов:

1 – сцинтилляционный кристалл; 2 – светоотражающее покрытие; 3- герметичный контейнер из тяжелого металла, одновременно выполняющий функции коллиматора гамма-излучения; 4 – герметизирующий клей; 5 – твердотельный фотоумножитель; 6 – оптически прозрачный клей; 7 – герметизированные электрические контакты.

Рис. 2. Общий вид гамма-локатора (вверху) в сравнении с авторучкой (внизу)

Рис. 3. Отзыв о гамма-локаторе ИФТТ РАН зам. директора ФГБУ «НМИЦ онкологии им. Н.Н. Блохина» по развитию онкологической помощи в регионах А.В. Петровского