НАИБОЛЕЕ ЗНАЧИМЫЕ результаты, полученные в ИФТТ РАН в 2024 г.
Утверждены на заседании Ученого совета ИФТТ РАН 25 ноября 2024 г.
(протокол № 23)
1.Материал для оптики ультрафиолетового, видимого и инфракрасного диапазонов
Н.Н.Колесников, А.С.Ажгалиева, Б.С.Редькин (с соавторами)
В рамках поискового исследования, направленного на создание материалов, прозрачных в широком диапазоне длин волн и имеющих низкий коэффициент преломления, предложен и запатентован новый материал K5Gd(1-x)Hox(MoO4)4 (х=0,04-0,06) для оптики ультрафиолетового, видимого и инфракрасного диапазонов [1-2]. Этот материал может быть получен в виде монокристаллов (Рис. 1), хорошо обрабатывается, негигроскопичен и имеет очень широкую область прозрачности, соответствующую длинам волн от 0,3 до 5,5 мкм. Пропускание излучения указанного диапазона превышает 80 % (Рис. 2 и 3) при толщине полированных образцов 2 мм.
 |
 |
 |
|
Рис. 1. Монокристалл K5Gd(1-x)Hox(MoO4)4 расколотый по спайности
|
Рис. 2. Спектр пропускания УФ, видимого и ближнего ИК излучения монокристаллическим K5Gd(1-x)Hox(MoO4)4
|
Рис. 3. Спектр пропускания ИК излучения монокристаллическим K5Gd(1-x)Hox(MoO4)4
|
Монокристаллы K5Gd(1-x)Hox(MoO4)4 можно рассматривать как перспективный материал для лазерной оптики, в частности, ультрафиолетового диапазона. Предложенный материал также может найти применение в оптических приборах, работающих в широком диапазоне длин волн.
Публикации:
1. Колесников Н.Н., Ажгалиева А.С., Редькин Б.С., Морозов В.А., Лазоряк Б.И. Материал для оптики ультрафиолетового, видимого и инфракрасного диапазонов. Патент РФ на изобретение № 2826665. Приоритет: 14.06.2024, зарегистрирован в гос. реестре РФ 16.09.2024, опубл. 16.09.2024, Бюл. № 26.
2. Диплом ИФТТ РАН за представленную перспективную разработку «Материал для оптики ультрафиолетового, видимого и инфракрасного диапазонов» на 27-ой Международной выставке химической промышленности и науки «Химия-2024», Москва, 21-24 октября 2024 г.
Государственное задание ИФТТ РАН: «Физика и технологии новых материалов и перспективных структур», №122040600127-3
Физические науки, направление 1.3.2.10. Физическое материаловедение и физика дефектов
2.Упорядоченные одномерные структуры топологических дефектов на поверхности нематик – изотропная жидкость
П.В. Долганов, Н.А. Спириденко, В.К. Долганов
Руководитель: в.н.с., д.ф.-м.н. П.В. Долганов
Исследование топологических дефектов, их структуры и коллективного поведения является одним из важнейших направлений физики конденсированного состояния. До настоящей работы исследования проводились на двумерных и частично на трёхмерных структурах.
В настоящей работе впервые получены упорядоченные одномерные структуры из топологических дефектов и определена их структура. Концевые эффекты устранены замыканием линейных структур в замкнутые цепочки из дефектов («ожерелье», Рис. (a)).
Впервые исследовано коллективное поведение дефектов в одномерной структуре и динамика, изменение их числа из-за попарной аннигиляции дефектов с топологическими зарядами +1 и ‑1. Показано, что наблюдаемое поведение кардинально отличается от поведения двумерных и трёхмерных структур.
Впервые в результате топологического перехода с изменением эйлеровой характеристики получены тороидальные изотропные капли в термотропномнематике без топологических дефектов (Рис. (с)) и с топологическими дефектами.
Топологические дефекты получены на поверхности, разделяющей нематический жидкий кристалл и изотропную жидкость. Дефекты образуются из-за конкурирующих граничных условий нематика на границе с изотропной жидкостью и на поверхности ячейки. Структура цепочек определена с использованием поляризованной оптической микроскопии. Показано, что цепочки образованы чередующимися дефектами с топологическими зарядами +1 и ‑1. Суммарный топологический заряд цепочки равен нулю, что согласуется с эйлеровой характеристикой поверхности. Отработана методика получения цепочек с центральным кластером из топологических дефектов (Рис. (b)). Тороидальные структуры образуются спонтанно при изменении температуры.
Публикация: Dolganov, P.V. Ordered structures formed by nematic topological defects and their transformation with changing the Euler characteristics / P.V. Dolganov, N.A. Spiridenko, V.K. Dolganov // Physical Review E. – 2024. – Vol. 110, Iss. 2. – P. 24703. – DOI:10.1103/PhysRevE.110.024703
Грант РНФ №23-12-00200
Физические науки, направление 1.3.2.6. Физика поверхности, границ раздела и других протяженных дефектов
3.Переход от релятивисткой к нерелятивистской намагниченности для альтермагнитного состояния, реализованного в полупроводнике MnTe
Н.Н.Орлова, А.А.Авакянц, Н.Н.Колесников, А.В.Тимонина, Э.В.Девятов
В последнее время привлекают внимание системы, где жёсткая связь между спином и импульсом (spin-momentumlocking), специфичная для топологических изоляторов и топологических полуметаллов, распространяется и на случай обычных, нерелятивстских групп магнитной симметрии. В этом случае к обычным ферро - и антиферромагнетикам добавляется новый класс магнитных материалов — альтермагнетики, в которых, при малой общей намагниченности, возникает спиновая поляризация, чередующаяся в к-пространстве. С момента введения этого класса в 2022 году, появилось значительное количество теоретических работ, предсказывающих различные физические эффекты, однако их экспериментальная реализация остаётся затруднительной.
В данной работе мы провели прямые прецезионные исследования угловой зависимости намагниченности для тонких флейков монокристаллического MnTe. Выше температуры 85 К, мы подтвердили известное для α-MnTe антиферромагнитное поведение намагниченности. Ниже 85 К, мы обнаружили аномальное поведение намагниченности в слабых полях, сопровождающееся сложной угловой зависимостью намагниченности: характерная для ферромагнетиков периодичность осцилляций в 180 градусов в слабых полях, сменяется 90-градусной периодичностью в сильных, с переигрыванием минимумов и максимумов в промежуточных значениях магнитных полей, см. Рис 1. Такая угловая зависимость не может ожидаться для обычных ферро- и антиферромагнитных систем. В то же время, в альтермагнетиках, общая намагниченность может возникнуть только при наличии слабого, но конечного спин-орбитального взаимодействия, кторое, в свою очередь, может быть подавлено магнитным полем или температурой. Таким образом, наш эксперимент напрямую подтверждает альтермагнетизм в MnTe, демонстрируя переход от релятивстской намагниченности в слабых полях к нерелятивстской в сильных.
Публикация: Orlova, N.N. Crossover from Relativistic to Non-relativistic Net Magnetization for MnTeAltermagnet Candidate / N.N. Orlova, A.A. Avakyants, A.V. Timonina, N.N. Kolesnikov, E.V. Deviatov // JETP Letters. – 2024. – Vol. 120. – DOI:10.1134/S0021364024602926
Грант РНФ №24-22-00060
Физические науки, направление 1.3.2.3. Физика магнитных явлений, магнитные материалы и структуры, спинтроника.
4.Супердисперсионный плазмонный метаматериал
В. М. Муравьев, К. Р. Джикирба, М. С. Соколова, А. С. Астраханцева, И. В. Кукушкин
Метаматериалы представляют собой класс искусственно созданных материалов, обладающих уникальными электродинамическими свойствами, которые не встречаются в природе. В настоящей работе удалось реализовать простую технологию сборки 3D метаматериала, состоящего из слоёв плоских кремниевых чипов с металлической сеткой, литографически изготовленной на поверхности кристалла (рис.а). Таким образом, был создан однородный метаматериал, который ведет себя как 3D плазма в терагерцевом диапазоне частот (0,1 - 1 ТГц). В работе было экспериментально показано, что электродинамический отклик метаматериала можно описывать с точки зрения эффективной диэлектрической проницаемости плазмы. Метод резонансной спектроскопии Фабри-Перо был использован для точного измерения дисперсии метаматериала в терагерцевом диапазоне частот. Для больших периодов сетки дисперсия электромагнитной волны, проходящей через метаматериал, вплотную следует плазмонной зависимости, при этом частота плазмы определяется геометрическими параметрами сетки и толщиной чипа. В другом пределе, когда период сетки мал, возникает новый электродинамический эффект взаимодействия плазмонных и фотонных мод. В этом режиме эффективная проницаемость метаматериала демонстрирует крайнюю чувствительность к частоте ТГц излучения - супердисперсию. Обнаруженное супердисперсионное свойство может иметь прикладное значение в спектроскопии и радиолокации.
Публикация: Muravev, V.M. Superdispersiveplasmonicmetamaterial / V.M. Muravev, K.R. Dzhikirba, M.S. Sokolova, A.S. Astrakhantseva, I.V. Kukushkin // Physical Review Applied. – 2024. – Vol. 21, Iss. 3. – P. 34041. – DOI:10.1103/PhysRevApplied.21.034041
Грант РНФ №19-72-30003
Физические науки, направление 1.3.5.6. Новые оптические материалы, оптические элементы фотоники, интегральная оптика, голография, нанофотоника, метаматериалы и метаповерхности.
5.Развитие методов проектирования сверхпроводниковых сигма-нейронов
А.С. Ионин, Л.Н. Карелина, Н.С. Шуравин, Ф.А. Разорёнов, М.С. Сидельников, С.В. Егоров, В.В. Больгинов
Рассмотрены проблемы проектирования сверхпроводниковых сигма-нейронов (СН), представляющих собой одноконтактныйджозефсоновский интерферометр с шунтирующей индуктивностью. Прототип устройства реализован в лаборатории сверхпроводимости ИФТТ РАН в 2023 г. в виде многослойной тонкоплёночной структуры над толстым сверхпроводящим экраном, как показано на рисунке. Эксперимент показал, что сверхпроводящий экран не обеспечивает полной независимости элементов СН, предполагавшейся в исходной модели.
В целях совершенствования характеристик устройства проведён численный расчёт матрицы индуктивностей (МИ) СН в предложенном дизайне и обобщён метод вычисления передаточной функции (ПФ) на случай произвольной МИ. Расчёт МИ выявил асимметрию входного сигнала в контурах СН с одинаковой геометрией приемных участков, прямое взаимодействие входного и считывающего элементов и другие паразитные взаимодействия, выражаемые ненулевыми недиагональными компонентами МИ. Представлено распределение сверхпроводящих токов в прототипе СН с учетом реальной 3D геометрии образца, которое подтвердило механизм передачи входного сигнала в приемный контур через кольцевые сверхпроводящие токи в экране. Обобщение метода вычисления ПФ на случай произвольной МИ дало параметрическое выражение для ПФ с учетом всех компонентов МИ и простые количественные условия соответствия целевой форме ПФ. Показано, что учёт взаимодействия СН с измерительной цепью приводит к перенормировке выходной индуктивности, а взаимодействие задающего и считывающего элементов – к эффективному разбалансу приёмных элементов СН. Рассмотрены перспективные методы улучшения конструкции для получения целевой формы ПФ.
На основе полученных результатов предложен способ модификации дизайна СН для улучшения его характеристик. На рисунке 1 штриховыми линиями показано предложенное удлинение «Джозефсоновского» плеча XJ, а стрелками – изменение положения джозефсоновских контактов СКВИДа.
Публикации:
- Ионин, А.С. Численное моделирование конструкции сверхпроводящего сигма-нейрона / А.С. Ионин, С.В. Егоров, М.С. Сидельников, Л.Н. Карелина, Н.С. Шуравин, М.М. Хапаев, В.В. Больгинов // Физика Твердого Тела. – 2024. – Т. 66, № 7. – С. 1019–1025. – DOI:10.61011/FTT.2024.07.58366.25HH;
- 2. Шуравин, Н.С. Обобщенная модель сверхпроводникового сигма-нейрона / Н.С. Шуравин, Л.Н. Карелина, A.C. Ионин, Ф.А. Разорёнов, М.С. Сидельников, С.В. Егоров, В.В. Больгинов // Письма в Журнал Экспериментальной и Теоретической Физики. – 2024. – Т. 120, № 11. – С. 863–870. – DOI:10.31857/S0370274X24120076
Грант РНФ №23-72-00053.
Физические науки, направление1.3.2.8. Квантовая макрофизика, Бозе-конденсаты, сверхпроводимость.
6.Батарея твердооксидных топливных элементов анод-поддерживаемой конструкции.
Бурмистров И.Н., Агаркова Е.А., Шарафутдинов А.У., Яловенко Д.В., Бредихин С.И.
Впервые в России была разработана и изготовлена батарея твердооксидных топливных элементов (ТОТЭ) анод-поддерживаемой конструкции киловаттного класса (Рис. 1 слева). Исследования электрохимических характеристик разработанной батареи подтвердили ее успешную работу не только на чистом водороде, но и при использовании углеродсодержащего топлива, имитирующего результат парового риформинга природного газа (Рис. 1 справа). При небольших для батарей ТОТЭ объеме (1 л) и массе (5,4 кг) снимаемая с батареи мощность отвечала проектным значениям и составила около 800 Вт, что позволило достичь высоких удельных показателей при работе как на чистом водороде (830 Вт/л и 153 Вт/кг), так и углеродсодержащем топливе (740 Вт/л и 136 Вт/кг) с электрическим КПД достигающим 48%. Разработанная в ИФТТ РАН батарея твердооксидных топливных элементов анод-поддерживаемой конструкции является базовым элементов высокоэффективной энергетики будущего и ляжет в основу разработки энергоустановок на основе твердооксидных топливных элементов различного назначения как в ИФТТ РАН, так и в других научных организациях и конструкторских бюро России.
Результат получен в процессе выполнения работ по договору о выполнении научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ №1284-21от «01» марта 2021 г. «Оптимизации мощностных и массогабаритных характеристик батарей твердооксидных топливных элементов для высокоэффективных транспортных и стационарных энергоустановок».
Химические науки, направление 1.4.4.2 Научные основы топливных элементов.
7. Экспериментальное исследование крупного устойчивого антициклона во вращающейся турбулентности
Д.Д.Тумачев, А.А.Левченко, С.В.Филатов (с соавторами)
Впервые экспериментально изучен необычный турбулентный режим в воде, подверженной вращению. Режим представляет собой устойчивый антициклон (рис.1.) — вихрь, вращающийся против вращения установки. Вихрь существует значительно больше времени Экмана, характерного времени диссипации. Режим нестандартный для турбулентности во вращающихся системах, т.к. в силу циклон-антициклонной асимметрии циклоны являются более стабильными структурами чем антициклоны. Вокруг антициклона есть область циклонического среднего течения, который характеризуется значительной степенью трехмерности, судя по хаотично перемещающимся вихрям завихренности разного знака и по полю дивергенции, которая характеризует собой градиенты вертикальной скорости по уравнению неразрывности. Данный режим наблюдается при скоростях вращения куба от 2.7 об/мин до 5.4 об/мин и характеризуется числами Россби от 0.52 до 0.3. Эти числа говорит о том, что крупномасштабные скорости подвержены силы Кориолиса. Число Рейнольдса для всех экспериментов приблизительно равно 2000, что говорит о значительной степени турбулентности режима.
Предложена модель, согласно которой антициклоническое течение поддерживается поглощением инерционных волн, распространяющихся к оси вихря из периферийной области и несущих антициклонический момент количества движения. Поглощение волны с фиксированными частотой, волновым числом вдоль вертикали и аксиальным числом происходит на определённом расстоянии от оси вихря в критическом слое. Волны, которые несут циклонический момент, наоборот, отражаются и потому не передают свой момент количества движения антициклону.
Публикации: Tumachev D.D., Levchenko A.A., Vergeles S.S., Filatov S.V. Observation of a large stable anticyclone in rotating turbulence (принятакпечативжурнал Physics of Fluids 02.12.2024.)
Государственное задание ИФТТ РАН: «Когерентные состояния, динамика и фазовые превращения в жидких и твердых телах», № 122040600126-6
Физические науки, направление 1.3.6.3. Физика нелинейных волн и нелинейная динамика
8.Прямое наблюдение пиннинга вихрей Абрикосова в пространственно неоднородном кристалле EuRbFe4As4.
М.С.Сидельников, А.В.Пальниченко, И.И.Зверькова, Л.С.Успенская, Л.Я.Винников.
Методикой низкотемпературного декорирования ферромагнитными наночастицами проведено исследование упорядочения вихрей Абрикосова в кристалле магнитного железосодержащего сверхпроводника EuRbFe4As4 с примесью несверхпроводящей фазы EuFe2As2 с двойниковыми границами. Рост монокристаллов EuRbFe4As4 раствор-расплавным методом в собственном флюсе сопровождается образованием побочной конкурирующей фазы EuFe2As2. Влияние побочной фазы на пиннинг вихрей Абрикосова в EuRbFe4As4 представляет большой практический интерес, поскольку железосодержащие сверхпроводники рассматриваются как материалы для сверхпроводящих соленоидов с высоким критическим полем. Ранее влияние фазы EuFe2As2 рассматривалось только в случае точечных вкраплений, являющимися центрами пиннинга.
Эксперименты выполнены на образце квазиэпитаксиальной плёнки сверхпроводящей фазы EuRbFe4As4 толщиной ≈ 15 мкм на подложке несверхпроводящей родительской фазы с двойниками. Впервые обнаружено нехарактерное для железосодержащих сверхпроводников линейное упорядочение вихрей Абрикосова. Направление цепочек совпадает с направлением двойниковых границ фазы EuFe2As2, а расстояние между цепочками соответствует расстоянию между двойниковыми границами. Такое упорядочение вихрей объясняется пиннингом в областях механического напряжения сверхпроводящей фазы над двойниковыми границами в побочной фазе-подложке. Выполнена оценка потенциала пиннинга. Наблюдаемое упорядочение вихрей над двойниковыми границами можно рассматривать как один из способов управления вихревой структурой, перспективный для технических приложений.
Публикация: Сидельников, М.С. Прямое наблюдение пиннинга вихрей Абрикосова в пространственно неоднородном кристалле EuRbFe4As4 / М.С. Сидельников, А.В. Пальниченко, К.С. Перваков, В.А. Власенко, И.И. Зверькова, Л.С. Успенская, В.М. Пудалов, Л.Я. Винников // Письма в Журнал Экспериментальной и Теоретической Физики. – 2024. – Т. 119, № 7. – С. 518–523. – DOI:10.31857/S1234567824070085
Грант РНФ №21-13-00307
Физические науки, направления:
1.3.2.3. Физика магнитных явлений, магнитные материалы и структуры, спинтроника; 1.3.2.8. Квантовая макрофизика, Бозе-конденсаты, сверхпроводимость.
9.Топологический солитон в пайерлсовском полуметалле Sb
С.В.Чекмазов, А.С.Ксенз, А.М.Ионов, А.А.Мазилкин, А.А.Смирнов, Е.А.Першина, И.А.Рыжкин, С.И.Божко (с соавторами)
Фазовые переходы металл-изолятор являются одним из базовых явлений, определяющих свойства материалов. Sbявляется пайерлсовским полуметаллом. Кристаллическая структура и энергетический спектр Sb в значительной степени определяются пайерлсовским переходом металл-изолятор. Отличительной особенностью кристаллической структуры Sbявляется чередование ковалентных и ван дер ваальсовых связей между атомными плоскостями в направлении [111]. Выигрыш по энергии, связанный с пайерлсовским переходом, обусловлен образованием ковалентных связей. Нарушение условий пайерлсовского перехода путем разрыва ковалентных связей может быть реализовано на поверхности монокристалла (111)Sb.
Методом теории функционала плотности (ТФП) были проведены модельные расчеты кристаллической структуры и электронного спектра модельных структур толщиной 41монослой (МС) (на поверхности разрыв по ковалентным связям) и 42МС (на поверхности разрыв по ван дер ваальсовым связям). Структурная оптимизация поверхности Sb(111), содержащей оборванные ковалентные связи, обнаруживает формирование топологическогосолитона с центром около 25 Å под поверхностью (на рис (а) указан стрелкой). Солитон представляет собой нарушение чередования коротких ковалентных и длинных ван-дер-ваальсовых связей между атомными слоями Sb(111) в объеме. Такая сильная деформация кристаллической решетки приводит к образованию электронных состояний, связанных с солитоном (рис. (b)). Взаимодействие TS с электронами поверхностных состояний приводит к смещению уровней поверхностных электронных состояний (рис (e), (d)). В ядре солитона наблюдается увеличение на порядок плотности электронных состояний на уровне Ферми (рис. (с)), которая демонстрирует осциллирующую зависимость в области солитонов.
Наличие солитонов в реальных кристаллах Sbподтверждено экспериментально. Монослойные ступени были обнаружены с помощью СТМ на сколотой поверхности Sb(111), что показывает, что на поверхности существуют различные области, сколотые по ван-дер-ваальсовыми и ковалентными связям. Туннельные спектры, рассчитанные с помощью ТФП и измеренные по обе стороны ступени, согласуются между собой.
Одним из наиболее значимых выводов является аномально высокая плотность электронных состояний на уровне Ферми в области солитона, что, возможно, приведет к сверхпроводимости в области солитона при высоких температурах.
Публикация:Chekmazov, S.V. ThetopologicalsolitoninPeierlssemimetalSb / S.V. Chekmazov, A.S. Ksenz, A.M. Ionov, A.A. Mazilkin, A.A. Smirnov, E.A. Pershina, I.A. Ryzhkin, O.Yu. Vilkov, B. Walls, K. Zhussupbekov, I.V. Shvets, S.I. Bozhko // ScientificReports. – 2024. – Vol. 14. – P. 2331. – DOI:10.1038/s41598-024-52411-x
Государственное задание ИФТТ РАН: «Физика, технология и инженерия дефектов материалов для альтернативных источников энергии, фотовольтаники и сенсорики», №122040600124-2
Физические науки, направление 1.3.2.6. Физика поверхности, границ раздела и других протяженных дефектов