Важнейшие результаты, полученные в ИФТТ РАН в 2020 году

Наиболее значимые результаты, полученные в рамках государственного задания ИФТТ РАН в 2020 году

Утверждены на заседании Ученого совета ИФТТ РАН 14 декабря 2020 г.
(протокол № 28)

Металлическое состояние в сильно взаимодействующей бесспиновой двухдолинной электронной системе в двух измерениях

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

Исследована сильно взаимодействующая двухдолинная двумерная электронная система в ультра-высокоподвижных SiGe/Si/SiGe квантовых ямах в параллельных магнитных полях достаточно сильных, чтобы полностью поляризовать электронные спины, таким образом сделав электронную систему бесспиновой. Обнаружено, что металлическая температурная зависимость сопротивления, хотя будучи слабее, чем зависимость в отсутствие магнитного поля, все еще остается сильной, даже когда спиновая степень свободы устранена. Использованы несколько независимых методов, чтобы установить существование подлинного перехода металл-изолятор в бесспиновой двухдолинной двумерной системе. Это контрастирует с предыдущими результатами, полученными на более разупорядоченных кремниевых образцах, где поляризующее магнитное поле вызывает полное подавление металлического температурного поведения.

Подпись к рисунку: Сопротивление электронной системы в SiGe/Si/SiGe квантовой яме в спин-поляризующем магнитном поле как функция температуры для различных электронных плотностей. Использованные магнитные поля находятся в диапазоне между примерно 1 и 2 Т. Критическая область вблизи перехода металл-изолятор показана цветовой градацией. Вставка показывает зависимость для n_s = 2.09 × 10¹⁰ cм⁻² в крупном масштабе.

Публикация:
Melnikov, M.Y. Metallic state in a strongly interacting spinless two-valley electron system in two dimensions / M.Yu. Melnikov, A.A. Shashkin, V.T. Dolgopolov, S.-H. Huang, C.W. Liu, Amy Y.X. Zhu, S.V. Kravchenko // Physical Review B. – 2020. – Vol. 101, Iss. 4. – P. 45302.

Открытие «сверхсветовых» электромагнитных плазменных волн

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

В электромагнитном отклике высококачественных двумерных электронных систем на базе GaAs/AlGaAs наноструктур, выращенных на диэлектрической подложке были экспериментально открыты «сверхсветовые» электромагнитные плазменные волны. Был измерен их спектр и магнитодисперсия. Установлено, что при больших плотностях двумерных электронов существует сильная гибридизация между плазменными и световыми модами Фабри-Перо. Показано, что возбуждение новых плазменных волн тесно связано с проблемой локального усиления электромагнитного поля. Полученный результат потенциально может позволить повысить на порядки чувствительность терагерцовых и инфракрасных детекторов электромагнитного излучения.

Публикация:
Gusikhin, P.A. Superluminal electromagnetic two-dimensional plasma waves / P.A. Gusikhin, V.M. Muravev, I.V. Kukushkin // Physical Review B. – 2020. – Vol. 102, Iss. 12. – P. 121404

Нейтронные исследования дигидрида тантала

М.А. Кузовников, В.Е. Антонов, В.И. Кулаков, В.М. Гурьев (с соавторами)

Разупорядоченное (справа) и упорядоченное (слева) размещение атомов водорода в октаэдрических и тетраэдрических междоузлиях ГПУ решетки тантала.

При давлении водорода 9 ГПа синтезирован массивный (около 300 мг) однофазный образец дигидрида тантала и проведено исследование его полной кристаллической структуры методом нейтронной дифракции и колебательного спектра методом неупругого рассеяния нейтронов. Это первое нейтронное исследование дигидрида d-металла с гексагональной плотноупакованной решеткой (ГПУ, пространственная группа P6₃/mmc).

Показано, что атомы водорода занимают половину тетраэдрических (T) и все октаэдрические (O) междоузлия в ГПУ решетке атомов тантала. Атомы водорода распределены по T-междоузлиям упорядоченным образом, что приводит к понижению симметрии кристаллической структуры до P6₃mc.

Установлено, что потенциальные ямы для атомов H как в T-, так и в O-междоузлиях сильно ангармоничны и анизотропны. Потенциал для атомов H в O-междоузлиях мягче вдоль оси z, чем в плоскости x,y, тогда как в T-междоузлиях, напротив, потенциал вдоль оси z жёстче, чем в плоскости x,y.

Публикация:
M.A. Kuzovnikov, V.E. Antonov, A.S. Ivanov, T. Hansen, S. Savvin, V. I. Kulakov, M. Tkacz, A.I. Kolesnikov, V.M. Gurev Phys. Rev. B 102, 024113 (2020)

Локальное и энергетическое разрешение электронных состояний с использованием дробового шума

E. S. Tikhonov, A. O. Denisov, S. U. Piatrusha, I. N. Khrapach, V. S. Khrapai (с соавторами)

Эволюция функции распределения (символы) в медной полоске с магнитным полем при напряжении на полоске 0.24 мВ при температуре ванны 30 мК.

Обычно разрешение по энергии неравновесных электронных состояний реализуется с помощью сенсора со спектральными особенностями. Принципиально иной и более универсальный подход может состоять в использовании Ферми-статистики электронной системы – квантово-механические паулевские корреляции хотя и не проявляются в усредненном токе, тем не менее вносят вклад в величину токовых флуктуаций проводника. К настоящему времени экспериментально эта идея была реализована лишь в одном очень частном случае – для разрешения по энергии искуственных периодических возбуждений в когерентном двумерном газе в геометрии квантового точечного контакта. Естественно, разрешение фазы неразрывно связано с пространственной размазанностью возбуждения, а потому такой эксперимент не годится для любой ситуации, когда интерес представляет локальное измерение. Более того, по всей видимости, такой эксперимент и невозможно поставить в проводнике отличном от квантового сужения. Достижение нашей работы состоит в том, что экспериментально продемонстрирован способ, который применим практически к любому проводнику и возбуждению.

Публикация:
Tikhonov, E.S. Spatial and energy resolution of electronic states by shot noise / E.S. Tikhonov, A.O. Denisov, S.U. Piatrusha, I.N. Khrapach, J.P. Pekola, B. Karimi, R.N. Jabdaraghi, V.S. Khrapai // Physical Review B. – 2020. – Vol. 102, Iss. 8. – P. 85417

Джозефсоновские структуры с барьером из топологического изолятора

Д.С. Яковлев, О.В. Скрябина, Д.С. Львов, С.В. Егоров, А.М. Кокотин, В.В. Рязанов (с соавторами)

Изготовлены и исследованы джозефсоновские субмикронные структуры, использующие в качестве слабой связи совершенные монокристаллы топологического изолятора Bi₂Te_2.3Se_0.7. Одиночные джозефсоновские переходы демонстрируют типичные джозефсоновские магнито-транспортные характеристики переходов с барьером из нормального металла. Джозефсоновские переходы с двумя монокристаллами в качестве слабой связи ведут себя как двухконтактные интерферометры (сквиды). Сравнение с существующими теориями показало, что сверхпроводящий транспорт осуществляется в основном через баллистические каналы.

Рис.1. Верхний рисунок – джозефсоновский переход Nb- Bi₂Te_2.3Se_0.7-Nb через одиночный монокристалл, нижний рисунок - двухконтактный интерферометр, использующий в качестве слабой связи два монокристалла топологического изолятора. Слева - изображения структур в сканирующем электронном микроскопе, в центре – зависимости дифференциального сопротивления структур от приложенных тока и магнитного поля, справа – экспериментальные зависимости сверхпроводящего критического тока от магнитного поля (точки) вместе с теоретическими расчетами (сплошные линии).

Публикация:
V.S. Stolyarov, D.S. Yakovlev, S.N. Kozlov, O.V. Skryabina, D.S. Lvov, A.I. Gumarov, O.V. Emelyanova, P.S. Dzhumaev, I.V. Shchetinin, R.A. Hovhannisyan, S.V. Egorov, A.M. Kokotin, W.V. Pogosov, V.V. Ryazanov, M.Yu. Kupriyanov, A.A. Golubov, D. Roditchev, Josephson current mediated by ballistic topological states in ₂Te_2.3Se_0.7 single nanocrystals, COMMUNICATIONS MATERIALS 1, 38 (2020). https://doi.org/10.1038/s43246-020-0037-y

Полиморфное превращение в монокристаллах теллурида галлия

Е.Б. Борисенко, Д.Н. Борисенко, А.В. Тимонина, Н.Н. Колесников

Теллурид галлия – соединение из ряда AIIIBVI. Как и другие халькогениды галлия этот материал является слоистым полупроводником. В отличие от остальных кристаллов этого ряда, имеющих гексагональную структуру, GaTe в стабильном состоянии имеет моноклинную решетку. До данной работы именно такие кристаллы получали из расплава в кварцевых ампулах по методу Бриджмена. Наши исследования показали, что при выращивании в тигле из графита, имеющего гексагональную решетку, удается вырастить гексагональный GaTe. Впервые было установлено, что при комнатной температуре и нормальном давлении спонтанно происходит полиморфное превращение из гексагональной в моноклинную решетку, которое длится 12 месяцев. Однако, внутренние напряжения, остающиеся после перехода, полностью релаксируют в течение нескольких лет. Эволюция структуры регистрировалась методом рентгеновской съемки по методу Лауэ, некоторые стадии перехода проиллюстрированы на Рис. 1 а-г. Превращение носит диффузионный характер. При этом, сохраняется инвариантная плоскость сопряжения двух фаз, благодаря чему кристалл остается монокристаллом. Из-за объемного эффекта превращения образуются трещины, как показано на Рис. 2 а, б.

Рис. 1. Лауэграммы кристалла GaTe: а- сразу после выращивания, б- 4 месяца хранения, в- 12 месяцев хранения, г- 7 лет хранения.

Рис. 2. Выращенный из расплава кристалл GaTe: а- сразу после выращивания, б – через 7 лет хранения.

Публикация:
Borisenko, E. Nonvariant polymorphic transition from hexagonal to monoclinic lattice in GaTe single crystal / E. Borisenko, D. Borisenko, A. Timonina, N. Kolesnikov // Journal of Crystal Growth. – 2020. – Vol. 535. – P. 125548.

Магнетоосцилляции заряда полевого транзистора, обусловленные индуцированным микроволновым излучением неравновесным распределением электронов по энергии

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

Под облучением микроволнового диапазона модулированной на частоте 1КГц мощности обнаружены магнетоосцилляции фототока между затвором и каналом полевого транзистора GaAs/AlGaAs с двумерной электронной системой (2ДЭС), состоящей из двух слоев (L1 и L2 на рис. а). Осцилляции содержат биения двух частот, которые определяются соизмеримостью межподзонного расщепления/частоты облучения и циклотронной частоты (см. рис.б, на котором отмечен узел биений в районе циклотронного резонанса CR). При постоянной мощности излучения они эквивалентны магнетоосцилляциям заряда полевого транзистора, которые можно объяснить только перераспределением электронов между слоями L1 и L2 под влиянием неравновесной функции распределения, лежащей в основе одного из существующих объяснений широко известных в 2ДЭС осцилляций сопротивления MIRO, индуцированных микроволновым излучением, а также и объяснения магнетоосцилляций ёмкости MICO, обнаруженны нами в той же системе под облучением ранее (Phys.Rev.Lett. 117, 176801(2016)).

Обозначения, используемые на рис.

DL(doping layer): слой легирования, поставляющий электроны в квантовую яму (QW);

LA(lock-in amplifier): усилитель с синхронным детектированием;

Backgate: затвор (сильнолегированная область GaAs);

Публикация:
Dorozhkin, S.I. Magneto-Oscillations of the Charge of a Field-Effect Transistor That Are due to a Microwave-Induced Nonequilibrium Electron Energy Distribution / S.I. Dorozhkin, A.A. Kapustin, V. Umansky, J.H. Smet // JETP Letters. –2020.–Vol. 111, Iss. 10.– P. 562–567.

Переходы спинового состояния в новом мультимагнитном молекулярном кристалле

С. Симонов, Л. Зорина, (с соавторами)

Комплексное экспериментальное и теоретическое исследование структуры и свойств нового молекулярного магнита [Fe(3-OMe-Sal₂trien)][Fe(tdas)₂]·CH₃CN показало, что его магнитные свойства определяются суммой вкладов от катиона [Fe(III)(3-OMe-Sal₂trien)]⁺ со спин-кроссовер (SCO) свойствами (S = 1/2 или 5/2) и димерного аниона [Fe(III)(tdas)₂]₂^2- (S = 3/2) с сильным антиферромагнитным взаимодействием в димере. В кристаллах происходит одноступенчатый SCO переход с гистерезисом от низкоспинового (LS) состояния Fe(III) к высокоспиновому (HS), который сопровождается изменением конформации катионной молекулы. Переход неполный в интервале измерений 2-350К, при комнатной температуре количество HS фазы по данным рентгеноструктурного анализа составляет 72%, что совпадает с результатами магнитных и Мессбауэр экспериментов. DFT расчеты подтвердили, что изменение конформации этиленовых групп катиона ведет к стабилизации LS или HS фазы и является репером спинового состояния Fe(III).

Рис. 1. SCO катион [Fe(III)(3-OMe-Sal₂trien)]⁺ (слева) и димерный анион [Fe(III)(tdas)₂]₂^2- (справа)

Рис. 2. Температурная зависимость χT. 1 и 2 – расчетные кривые магнитного поведения для катиона и аниона, соответственно.

Рис. 3. Спектры Мессбауэра при 80 и 296К. Цветные области показывают вклад компонентов: зеленый – аниона, синий – катиона с S=1/2, красный – катиона с S=5/2.

Публикация:
N.Spitsyna, N. Ovanesyan, M. Blagov, V. Krapivin, A. Lobach, A. Dmitriev, S. Simonov, L. Zorina, L. Pilia, P. Deplano, A. Vasiliev, O. Maximova, E. Yagubskii “Multi-magnetic properties of a novel SCO [Fe(3-OMe-Sal₂trien)][Fe(tdas)₂]·CH₃CN salt” Eur. J. Inorg. Chem. (принята к печати), DOI: 10.1002/ejic.202000873

Формирование распределения Парето в системе трейсеров на поверхности воды

С.В. Филатов, Поплевин А.В., А.А. Левченко, Л.П. Межов-Деглин

Исследована статистика кластеров, формируемых полиамидными частицами, которые применяются для визуализации течений жидкости на ее поверхности. Установлено, что на поверхности возбуждаемой стоячими волнами и сразу после выключения накачки, когда на поверхности существует сильное вихревое движение, количество кластеров на площади 50х50 см составляет приблизительно 10^5  штук с распределением по площади  отличным от нормального. С течением времени наблюдается  рост средней площади кластеров на поверхности воды, который связан, в основном, с  экспоненциальным уменьшением числа кластеров. Через характерное время, определяемое средней фоновой скоростью течения жидкости на поверхности воды, в системе кластеров устанавливается степенное распределение  нормированной плотности кластеров – распределение Парето.

Распределение нормированной плотности кластеров частиц по размерам N(S) через 5.5 минут 1), через 25 минут 2) и  через 100.5 минут в) и 275.5 минут после выключения накачки.

Публикация:
направлена в Results in Physics, 2020

Управляемый 3D/2D магнетизм в топологических изоляторах семейства (MnBi₂Te₄)(Bi₂Te₃)_m

V.N. Zverev (с соавторами)

Впервые изучены магнитные, транспортные, топологические свойства гомологического ряда кристаллов топологических изоляторов (MnBi₂Te₄)(Bi₂Te₃)_m с m=0 ... 6, которые, как было установлено, сильно зависят от значения величины m. Антиферромагнитное взаимодействие между соседними слоями, содержащими Mn, значительно ослабляется при увеличении m от 0 до 2, а при m=3 возникает ферромагнитное упорядочение, при котором межслоевое взаимодействие практически исчезает. При больших значениях m возникает нетривиальная магнитная фаза, когда при T<T_c имеются двумерные ферромагнитные слои или блоки с неупорядоченной намагниченностью в направлении по нормали к слоям. Разнообразие магнитных фаз семейства (MnBi₂Te₄)(Bi₂Te₃)_m открывает возможности инженерии гетероструктур данного семейства магнитных топологических изоляторов для применения в квантовых вычислениях, а также в области анитиферромагнитной и двумерной спинтроники.

Публикация:

Klimovskikh, I.I. Tunable 3D/2D magnetism in the (MnBi2Te4)(Bi2Te3)(m)topological insulators family / I.I. Klimovskikh, M.M. Otrokov, D. Estyunin, S.V. Eremeev, S.O. Filnov, A. Koroleva, E. Shevchenko, V. Voroshnin, A.G. Rybkin, I.P. Rusinov, M. Blanco-Rey, M. Hoffmann, Z.S. Aliev, M.B. Babanly, I.R. Amiraslanov, N.A. Abdullayev, V.N. Zverev, A. Kimura, O.E. Tereshchenko, K.A. Kokh, L. Petaccia, G. Di Santo, A. Ernst, P.M. Echenique, N.T. Mamedov, A.M. Shikin, E.V. Chulkov // NPJ Quantum Materials. – 2020. – Vol. 5, Iss. 1. – P. 54.

Латеральный эффект Джозефсона на поверхности магнитного Вейлевского полуметалла Co₃Sn₂S₂

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

Подобно топологическим изоляторам и режиму квантового эффекта Холла, Вейлевские полуметаллы характеризуются наличием топологически защищённых поверхностных состояний. В таких системах они возникают в силу нарушения симметрии по отношению к центру инверсии или симметрии по обращению времени (в магнитных Вейлевских полуметаллах). Для магнитных топологических полуметаллов эффект близости со сверхпроводником является новым и быстро развивающимся направлением исследований в силу взаимного влияния сверхпроводимости и магнетизма в условиях нетривиальной топологии.

Мы экспериментально исследовали эффект Джозефсона на поверхности магнитного Вейлевского полуметалла Co₃Sn₂S₂. Для разупорядоченного магнитного состояния Co₃Sn₂S₂ мы наблюдаем только обычное Андреевское отражение на каждом из контактов. При однородном намагничивания образца, мы наблюдаем появление Джозефсоновского тока по поверхности Вейлевского полуметалла между сверхпроводящими контактами, что является следствием переноса Джозефсоновского тока топологическими поверхностными состояниями типа Ферми-арок в Вейлевском полуметалле Co₃Sn₂S₂.

Обнаруженный эффект Джозефсона хорошо выражен даже при больших (5 мкм) расстояниях между сверхпроводящими берегами, критическое значение тока демонстрирует необычное для длинных диффузных SNS контактов поведение в зависимости от магнитного поля и температуры, что указывает на триплетный характер Джозефсоновского тока на поверхности магнитного Вейлевского полуметалла Co₃Sn₂S₂.

Публикация:
Phys. Rev. B 101, 035304 (2020), 10.1103/PhysRevB.101.035304

Вихри на поверхности квантовой жидкости

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

Впервые обнаружено, что возникновение естественной термогравитационной конвекции Рэлея-Бенара в объеме нагреваемого сверху слоя жидкого гелия при фазовом переходе жидкости из сверхтекучего в нормальное состояние сопровождается формированием на свободной поверхности нормальной жидкости слабо затухающего вихревого течения (Рис.1,а). Нелинейное взаимодействие вихрей между собой и с конвективными структурами в объеме слоя приводит к образованию двух крупномасштабных вихрей на поверхности жидкости в широком цилиндрическом сосуде (Рис.1, d).

Рис.1, а - вихри на поверхности жидкости, наблюдающиеся сразу после фазового перехода; d- формирование двух крупномасштабных долгоживущих вихрей на свободной поверхности слоя через ~ 100 секунд после перехода.

Публикация:
А.А. Пельменев, А.А. Левченко, Л.П. Межов-Деглин, Физика низких температур, 46, 2, (2020).

Прямые измерения пикосекундной кинетики нагрева спиновой подсистемы в полумагнитных полупроводниковых наноструктурах.

А. А. Максимов, Е. В. Филатов, И. И. Тартаковский, (с соавторами)

Основными задачами полупроводниковой спинтроники являются исследования инжекции, ориентации, накопления и детектирования спинов носителей и изучение возможностей управления ими оптическими и электрическими методами. Одним из важных параметров, определяющих перспективность практического использования тех или иных устройств, является быстродействие переключения состояния в спиновой системе при внешнем воздействии.

Полумагнитные наноструктуры на основе II-VI материалов рассматриваются как перспективные модельные объекты для возможных применений в спинтронике.

Величина скорости изменения гигантской намагниченности в спиновой подсистеме магнитных ионов Mn²⁺ полумагнитных полупроводников при взаимодействии с горячими носителями в силу ряда технических трудностей до проведения представленных экспериментальных исследований, выполненных на гетероструктурах второго типа, оценивалась лишь по косвенным данным. В настоящей работе впервые в полумагнитных полупроводниковых сверхрешетках на основе (Zn,Mn)Se/(Be,Mn)Te с помощью прямых измерений продемонстрировано, что кинетика изменения намагниченности в спиновой подсистеме магнитных ионов Mn²⁺ определяются процессами передачи энергии и спина от фотовозбужденных дырок за счет обменного взаимодействия с локализованными спинами ионов и составляют величину порядка 10^-11с. С одной стороны, знание этой величины представляет определенный фундаментальный интерес для описания процессов взаимодействия носителей со спиновой подсистемой магнитных ионов Mn²⁺ в полумагнитных полупроводниках, с другой стороны, подтверждает перспективность данных гетероструктур для возможных применений в качестве элементов в спинтронике.

Зависимость Зеемановского сдвига полосы люминесценции пространственно прямого оптического перехода от времени в сверхрешетке Zn_0>.99Mn_0.01Se/Be_0.93Mn_0.07Te в магнитном поле 3 T (a) и 1.5 T (b) после возбуждения в нулевой момент времени мощным фемтосекундным лазерным импульсом с плотностью энергии ∼0.25 мДж/см² на поверхности образца. Сплошные кривые – экспоненциальные зависимости с временами τ.

Публикация:
Письма в ЖЭТФ, том 110, вып. 12, с. 806 – 811, (2019).

Ультра-высокотемпературные оксид-молибденовые композиты

С.Т. Милейко, А.А. Колчин, С.Н. Галышев, О.Ф. Шахлевич, В.М. Прокопенко

Совершенствование авиационного двигателя с целью сокращения расхода топлива, по крайней мере, на 20% и существенного сокращения вредных выбросов в атмосферу требует разработки материалов рабочей лопатки турбины с рабочей температурой 1300^оС и выше. На это нацелены в последние 2 десятилетия усилия многочисленных лабораторий в мире, которые не увенчались созданием сплавов с нужным балансом трещиностойкости, сопротивления ползучести и сопротивления газовой коррозии.

Коллектив ИФТТ РАН разработал структуру оксид-молибденовых композитов (Рис. 1), которая наследует положительные свойства разрабатываемых и использованных в качестве матрицы молибденовых сплавов (сопротивление окислению) и волоконных композитов (трещиностойкость, сопротивление ползучести), технология получения и структура которых были в своё время разработаны в Лаборатории армированных систем Института.

Рис. 1. Вариант структуры оксид-молибденового композита.

Полученные образцы характеризуются высокой трещиностойкостью (40 МПа‧м^1/2 против 8 – 15 МПа‧м^1/2), сопротивлением ползучести, в 2 раза большим, нежели у сплавов, сопротивлением окислению, сопоставимом с этим свойством сплавов (Рис. 2).

Рис. 2. Изменение массы композитных образцов с волокнами на основе силикатов иттрия с мульти-фазным покрытием при нагреве до 1000^оС на воздухе.

Создан задел для разработки промышленной технологии композитов.

Публикация:
S.T. Mileiko, A.A. Kolchin, S.N. Galyshev, O.F. Shakhlevich, V.M. Prokopenko, Composites Part A 132 (2020) Article 105830

Наиболее значимые результаты института, готовые к практическому применению, полученные в ИФТТ РАН в 2020 году

Сапфировый игловой капилляр с микрофокусировкой для лазерной терапии и хирургии

Долганова И.1., Шикунова И.А., Зотов А.К., Курлов В.Н. (с соавторами)

Разработан и получен методом EFG сапфировый игловой капилляр для коллимирования и фокусировки лазерного излучения (рис.1). Игловой капилляр обладает высококачественной гладкой поверхностью, высокой прозрачностью для видимого и ближнего инфракрасного излучения, высокой термической и химической стойкостью, а также сложной формой наконечника, который защищает кварцевые волокна. Продемонстрирован эффект фокусировки как численно (Рис. 2), так и в эксперименте при коагуляции образцов печени ex vivo . Игловой капилляр в сочетании с оптическим волокном обеспечивает интенсивную и равномерную коагуляцию внутри и на поверхности печени с помощью лазерного воздействия мощностью 280 Дж без карбонизации тканей и повреждения волокна. Управляемым образом можно изменять геометрические параметры иглового капилляра в зависимости от типа биологической ткани, метода терапии и протокола лечения.

Основная область применения – онкохирургия. Разработка готова к практическому применению в системах лазерной коагуляции и абляции злокачественных опухолей.

Мировые аналоги отсутствуют.

Рис. 1. As grown cапфировый игловой капилляр для микрофокусировки лазерного излучения (а); схема сапфирового капилляра в комбинации с кварцевым световодом ( b ).

Рис. 2. Численное моделирование диаграммы направленности, сформированной на выходном конце сапфировой иглы для кварцевого световода 0,22 NA

Получено положительное решение на Патент РФ, заявка № 2020128843 от 31.08.2020

«Световодный инструмент с микрофокусировкой» (авторы Шикунова И.А., Долганова И.Н., Зайцев К.И., Курлов В.Н.)

Публикации:

1. Dolganova I.N., Shikunova I.A., Zotov A.K., Shchedrina M.A., Reshetov I.V., Zaytsev K.I., Tuchin V.V., Kurlov V.N. "Microfocusing sapphire capillary needle for laser surgery and therapy: fabrication and characterization" - Journal of Biophotonics, 2020, e202000164. DOI: 10.1002/JBIO.202000164

2. Dolganova I.N., Zotov A.K., Shikunova I.A., Zaytsev K.I., Aleksandrova P.V., Mukhina E.E., Kurlov V.N. “Experimental study of pointed sapphire needles for interstitial laser therapy” – Proc. SPIE, 11458 (2020) 114580E. doi: 10.1117/12.2559988

3. Dolganova I.N., Katyba G.M., Shikunova I.A., Zotov A.K., Aleksandrova P.V., Naumova N.A., Shchedrina M.A., Zaytsev K.I., Tuchin V.V., Kurlov V.N. “Sapphire-based medical instrumentsfor diagnosis, surgery and therapy” – Proc. SPIE, 11363 (2020) 1136318. doi: 10.1117/12.2555320

Эффективные УФ оптические фильтры солнечно-слепого диапазона спектра на основе смешанных кристаллов K₂Ni_xCo_1-x(SO₄)₂·6H₂O

Жохов А. А., Масалов В. М., , Сухинина Н. С., Емельченко Г. А. (с соавторами)

Смешанные кристаллы K₂Ni_xCo_(1-x)(SO₄)₂·6H₂O (KCNSH) являются перспективными материалами для УФ оптических фильтров солнечно-слепого диапазона спектра (220 – 280 нм) благодаря эффективной фильтрации излучения в УФ диапазоне длин волн. Для подавления спонтанной кристаллизации была разработана оригинальная технология выращивания смешанных монокристаллов K₂Ni_xCo_(1-x)(SO₄)₂·6H₂O (KCNSH) в условиях больших переохлаждений 5-10 °С с использованием схемы «поворотного кристаллизатора», защищенная патентом. Показано, что кристаллы K₂Ni_xCo_(1-x)(SO₄)₂·6H₂O, выращенные по разработанной технологии, демонстрируют высокий уровень пропускания в УФ области спектра, близкий к теоретическому значению для этих кристаллов (Рис.), и низкую плотность дислокаций (~ 10 ³ -10 ⁴ см ^-2 ), меньшую на 1-2 порядка в сравнении с существующими данными.

Рис. 1 (а) Схема установки для выращивания кристаллов «поворотный кристаллизатор»: 1 – теплоизолятор, 2 – крышка, 3 – кристаллизатор, 4 – раствор, 5 – плёночный нагреватель, 6 – термопара, 7 – терморегулятор, 8 – затравка.
(б) Фото кристалла K₂Ni_xCo_(1-x)(SO₄)₂·6H₂O, выращенного из раствора c соотношением компонентов солей Ni/Co = 2/1 (высота кристалла 23 мм). Затравка (KNSH –синий цвет) диаметром 20 мм высотой 3 мм (б).
(в) Спектр пропускания кристалла KCNSH.

Публикации:

1. Zhokhov A.A., Masalov V.M., Rudneva E.B., Manomenova V.L., Vasilyeva N.A., Sukhinina N.S., Voloshin A.E., Emelchenko G.A. Growth of mixed K ₂ Ni _x Co _(1-x) (SO ₄ ) ₂ • 6H ₂ O crystals for large supercooling without spontaneous crystallization in solution. Mater. Res. Express 2020 , 7, № 1, 016202 (7pps). DOI: 10.1088/2053-1591/ab5fa4

2. Патент RU 2 725 924 C1, 19.02.2020, Устройство для выращивания смешанных кристаллов сульфата кобальта-никеля-калия для оптических фильтров ультрафиолетового диапазона. Авторы: Жохов А.А. и др.

Ультрабыстрый субтерагерцовый сканер для обеспечения безопасности почтовых посылок

А.В. Щепетильников, П.А. Гусихин, В.М. Муравьев, Г.Э. Цыдынжапов, Ю.А. Нефедов, А.А. Дремин, И. В. Кукушкин

Разработан и апробирован линейный сканер безопасности, работающий на частоте 100 ГГц, который позволяет проводить быстрый скрининг с близкого расстояния, например, почтовых посылок. Разработанный сканер является новым подходом к терагерцовому зондированию, включает в себя быструю линейную ТГц-камеру, а также усовершенствованные ЛПД-генераторы и представляет собой эффективную систему неразрушающего контроля, которая является абсолютно безопасным, быстрым, портативным и экономичным инструментом досмотра. Результаты тестирования демонстрируют выдающуюся способность сканера обеспечивать, например, непрерывную высокопроизводительную проверку почты. Система может выполнять визуализацию в реальном времени с эффективным пространственным разрешением 3 мм, при скорости движения конвейера до 15 м/с.

Схема почтового сканера и ТГц-изображение ножа, спрятанного в почтовую посылку.

Публикация:
Shchepetilnikov, A.V. New Ultra - Fast Sub - Terahertz Linear Scanner for Postal Security Screening / A.V. Shchepetilnikov, P.A. Gusikhin, V.M. Muravev, G.E. Tsydynzhapov, Yu.A. Nefyodov, A.A. Dremin, I.V. Kukushkin // Journal of Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves. – 2020. – Vol. 41. – P. 655–664.

Автоматизированный портативный газовый анализатор, работающий на основе рамановской спектроскопии

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

Разработан и испытан газовый анализатор, работающий на основе рамановской спектроскопии, в котором используются портативный рамановский спектрометр, лазер 532 нм и полый кристаллический световод. Новый прибор позволяет в экспресс режиме проводить анализ природного газа и смесей его производных и обеспечивает почти хроматографическую точность, а также способен проводить in situ анализ газов, неактивных в инфракрасном диапазоне (водород, кислород, азот, хлор и др.). Точность анализа нового прибора сопоставима с точностью приборов газовой хроматографии, но время анализа на порядок меньше и результаты обрабатываются автоматически.

Схема рамановского газоанализатора и характерные спектры, полученные для смеси газов.

Публикация:
Khannanov, M.N. Analysis of Natural Gas Using a Portable Hollow-Core Photonic Crystal Coupled Raman Spectrometer / M.N. Khannanov, A.B. Van'kov, A.A. Novikov, A.P. Semenov, P.A. Gushchin, S.I. Gubarev, V.E. Kirpichev, E.N. Morozova, L.V. Kulik, I.V. Kukushkin // Applied Spectroscopy. – 2020. – Vol. 74, Iss. 12. – P. 1496–1504