ВАЖНЕЙШИЕ РЕЗУЛЬТАТЫ, ПОЛУЧЕННЫЕ В ИФТТ РАН В 2016 ГОДУ

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

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

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

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

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

Л.Я. Винников, В.С. Столяров

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

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

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

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

3. Tемпературные, частотные и магнетополевые зависимости комплексной высокочастотной проводимости

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

3. Магнетофермионный конденсат в двумерной электронной системе

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

2. Квантовая криптография

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

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

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

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

1. Фазовые превращения в аморфных и нанокристаллических материалах

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

a	b	c

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

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

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

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

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

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

Тема № 9.1 Жаропрочные материалы для новой техники.

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

1. Сапфировые терагерцовые фотонно-кристаллические волноводы

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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