сверхпроводники

Сила нефононного притяжения электронов в ВТСП

Большинство теорий нефононного механизма сверхпроводимости купратных ВТСП (хотя и не все) основано на предположении о спаривании электронов за счет их взаимодействия со спиновыми флуктуациями. Но разные авторы существенно расходятся в оценке силы этого взаимодействия. В статье [1] немецкие и американские физики проанализировали результаты экспериментальных исследований спектров зарядовых и спиновых возбуждений одних и тех же недвойникованных монокристаллов YBa₂Cu₃O_6.6, полученных методами фотоэмиссионной спектроскопии с угловым разрешением и неупругого рассеяния нейтронов (рис. 1).

Рис. 1. Интенсивность спиновых возбуждений вдоль Q = q(2p,2p) в YBa₂Cu₃O_6.6 при T = 5 К.

Было показано, что согласованного описания закона дисперсии электронов и их спиновой восприимчивости можно добиться путем надлежащего выбора единственного подгоночного параметра – перенормированной энергии электрон-электронного отталкивания U = 1.59 эВ. При этом удается с единой точки зрения объяснить такие универсальные для всех ВТСП эффекты как наличие так называемых “магнитных резонансов” с энергией » 40 мэВ в спектрах спиновых возбуждений и изломов (“кинков”) закона дисперсии вдоль узловых направлений обратного пространства, а также очень слабую чувствительность этих кинков к температуре. Воодушевленные полученными результатами авторы [1] рассчитали критическую температуру d-волнового сверхпроводника с такой величиной U. Безразмерная константа спин-фермионного взаимодействия в нормальном состоянии оказалась равной l = 1.39 (сильная связь), а величина T_c составила 174 К. Многовато, конечно, но хоть порядок правильный…

Л.Опенов

1. T.Dahm et al., Nature Phys. 5, 217 (2009).

НАНОСТРУКТУРЫ, НАНОТЕХНОЛОГИИ, НАНОЭЛЕКТРОНИКА

Вольфганг Паули как-то заметил, что если объем создал Бог, то поверхность изобрел дьявол… Возможно, именно по этой причине поверхности различных материалов привлекают внимание исследователей разнообразием своих свойств, функциональностью и возможностью наблюдать на них уникальные эффекты. В работах [1, 2] сообщается о новых результатах, полученных при нанесении на поверхность магнитных атомов и молекул. Авторы [1] сформировали на поверхности меди упорядоченную супрамолекулярную сетку из органических молекул с атомами Fe (рис. 1). При этом они показали, что направление оси легкого намагничивания (параллельно или перпендикулярно слоям) можно контролировать просто путем адсорбции молекул кислорода.

Рис.1. Супрамолекулярный комплекс на поверхности Cu(100). Синие точки – атомы Fe.	Рис.2. Схематическое изображение молекул Fe4, прикрепленных к поверхности золота органическими цепочками.

В работе [2] был изготовлен монослой из “одномолекулярных магнитов” Fe₄, закрепленных (опять же с помощью органики) на поверхности золота (рис. 2). Эти наномагниты демонстрируют гистерезис, что, в принципе, позволяет использовать их, например, в устройствах магнитной памяти. В пределах каждой молекулы Fe₄ спины атомов Fe упорядочены за счет обменного взаимодействия. Общим для работ [1] и [2] является то, что в них продемонстрирована принципиальная возможность избежать размагничивающего влияния подложки на поверхностный магнитный слой. И пусть эксперименты проводились пока при субкельвинных температурах, ведь главное – начать!

1. P.Gambardella et al., Nature Mater. 8, 189 (2009).

2. M.Mannini et al., Nature Mater. 8, 194 (2009).

Оксидная наноэлектроника

Немецкие (University of Augsburg) и американские (University of Pittsburgh) ученые разработали сравнительно надежную и простую технологию изготовления наноэлектронных устройств с поперечными размерами элементов 2 нм [1]. Она основана на использовании слоистых оксидных гетероструктур LaAlO₃/SrTiO₃, представляющих собой пленку полярного полупроводника LaAlO₃ толщиной 3.3 элементарные ячейки, выращенную на кристалле неполярного полупроводника SrTiO₃. Из-за большого разрыва зон проводимости LaAlO₃ и SrTiO₃ в слое SrTiO₃ толщиной несколько нанометров вблизи границы раздела образуется квазидвумерный электронный газ (q-2DEG). Сканирование поверхности иглой атомного силового микроскопа вдоль заданной траектории приводит к формированию в q-2DEG проводящих дорожек соответствующего профиля, ширина которых dx зависит от величины приложенного к игле микроскопа положительного напряжения V (например, dx = 2.1 нм и 12 нм при V = +3 В и +10 В, соответственно). Таким образом, авторы [1] “нарисовали” на своих гетероструктурах полевой транзистор (рис. 1) и некоторые базовые элементы наноэлектронных устройств (рис. 2).

Рис. 1. Полевой нанотранзистор	Рис. 2. Наноустройство с двумя туннельными контактами.	Рис. 3. Вольт-амперная характеристика трехконтактного устройства.

В трехконтактных устройствах они, в частности, наблюдали эффект отрицательного дифференциального сопротивления (рис. 3). Для удаления проводящих дорожек достаточно выполнить повторное сканирование, но уже с отрицательной величиной напряжения V на игле, или же облучить поверхность светом с энергией фотонов E > E_g ≈ 3.2 эВ (ширина запрещенной зоны в SrTiO₃) – и можно наносить на нее новый узор! Никакие сложные литографические процедуры при этом не требуются.

Л.Опенов

1. C.Cen et al., Science 323, 1026 (2009).

Нанослой увеличивает мощность на порядок

На сегодняшний день литиевые аккумуляторы – преобладающий источник электропитания для автономных устройств. Они используются и в российском батискафе, опустившегося на дно на Северном полюсе, и в мобильных телефонах, ставших достоянием всех и каждого отчасти благодаря этим самым литиевым аккумуляторам. Литиевые аккумуляторы обеспечивают плотность энергонакопления порядка 500 Дж/грамм (150Вт·час/кг), что существенно больше, чем у других источников. Для сравнения, типичные свинцовые аккумуляторы обеспечивают округленно 100 Дж/грамм, никель-металлогидридные – 200 Дж/грамм.

Процесс зарядки литиевого аккумулятора состоит в переносе литиевых ионов из катодного электрода (в данном случае из фосфата лития-железа LiFePO₄) в анод, в качестве материала которого используется модифицированный графит. Генерация тока происходит при обратном перемещении ионов. В графите ионы занимают позиции между плоскостями гексагонально упакованных атомов углерода, а в материале катода литий двигается и накапливается в каналах ажурной кристаллической структуры LiFePO₄ (см. рис.).

Основной недостаток литиевых аккумуляторов - флегматичность в процессах заряда/разряда. К примеру: заряд батареи ноутбука занимает порядка часа, что по современным меркам довольно долго. Особенно критично ограничение токов заряда-разряда для разрабатываемого электро - и гибридного транспорта. Для длительного равномерного движения литиевые аккумуляторы обладают достаточным энергозапасом; однако они не могут обеспечить быстрое ускорение или рекуперацию энергии при электромагнитном торможении, которое происходит в течение примерно секунды. Для обеспечения пиковых мощностей параллельно литий-ионным аккумуляторам приходится подключать т.н. суперконденсаторы (ионисторы), что утяжеляет устройство в целом и повышает его цену.

В новой публикации утверждается, что найдено техническое решение, ускоряющее процесс зарядки на порядок [1]. Как выяснили исследователи из Massachusetts Inst. of Technology (MIT), США, проводимость по ионам лития у фосфата лития-железа, используемого в качестве катодного материала, достаточно велика и могла бы обеспечить достаточно высокие удельные мощности. Лимитирующим процессом для заряда-разряда оказался вход/выход ионов Li с поверхности LiFePO₄ в каналы внутри кристаллической структуры. Специалисты из MIT нанесли на поверхность зерен кристаллического катодного материала пяти-нанометровый аморфный слой с контролируемой нестехиометрией (формулировка авторов), и это обеспечило ускорение процесса внедрения лития более чем на порядок.

По утверждениям авторов, их экспериментальное устройство легко может быть масштабировано; 1 литровая батарея сможет обеспечить 25 кВт. При такой удельной мощности заряд аккумуляторов электромобиля будет занимать всего 5 минут – примерно столько, сколько потребуется, чтобы выпить чашечку кофе на заправочной станции. Правда, в течение этих 5 минут подавать на зарядку придется около 200 кВт мощности, и не исключено, что кофе можно будет варить как раз на автомобильном аккумуляторе.

На этот же аспект обратили внимание комментаторы в блоге на сайте Nature. Как заметил один из них, чтобы зарядить его ноутбук в обещанные 20 секунд, зарядный ток должен составлять порядка 250А.

Там же в блоге специалисты, уже имеющие опыт работы с подобными системами, утверждают, что похожие рецепты уже предлагались, но постепенно выяснилось, что многократные циклы заряд/разряд могут приводить к разрушению материала с аморфным слоем на поверхности и мощность, первоначально высокая, будет снижаться.

Тем не менее, пусть даже пессимисты кое в чем правы; но – повышение мощности литиевых батарей на полтора порядка должно существенно повлиять на будущее энергетики.

М.Компан

1. B.Kang, G.Ceder, Nature 458, 190 (2009).

НАНОМАТЕРИАЛЫ

Известно, что химическая активность атомных кластеров существенно выше, чем у более крупных частиц из того же материала. Объясняется это тем, что в таких кластерах практически все атомы являются “поверхностными”, то есть характеризуются малыми координационными числами, а значит – имеют ненасыщенные связи, которые и участвуют в катализе. В работе [1] показано, что каталитическая способность кластеров Pt_n с n = 8¸10 при окислительной дегидрогенизации пропана не только в 40¸100 раз выше, чем у известных аналогов, но и является избирательной: в результате реакции с их участием образуется пропилен, а не какие-то побочные продукты. Авторам [1] удалось осадить кластеры Pt_n на покрытую тонкой пленкой Al₂O₃ подложку так, что они не слиплись друг с другом, сохранив свою “кластерную сущность” (см. рис.).

Кластер Pt₈ на поверхности Al₂O₃ (данные численных расчетов).

Селекция кластеров по числу атомов в них осуществлялась с использованием квадрупольного масс-спектрометра. Сканирующая туннельная микроскопия подтвердила, что все осажденные кластеры имеют одинаковые размеры и остаются устойчивыми при T < 400 ⁰C. Каталитическая реакция осуществлялась при T = 500 ⁰C. Расчеты из первых принципов показали, что кластеры Pt₈ “вытягивают” электроны из пленки Al₂O₃ и становятся отрицательно заряженными. Возможно, именно это и является причиной их высокой каталитической активности, приводя к уменьшению энергетического барьера для разрыва первой связи C-H в пропане. Предложенная в [1] технология изготовления кластерных нанокатализаторов может быть использована и в промышленном производстве.

1. S.Vajda et al., Nature Mater. 8, 213 (2009).

Эффективное топливо на основе платоновых углеводородов

Углеводородные кластеры, остов которых представляет собой правильный многогранник, называются платоновыми углеводородами, в честь великого древнегреческого философа Платона. Самым известным из них безусловно является кубан C₈H₈ (см. [1]): куб из восьми атомов углерода с расположенными на продолжениях главных диагоналей атомами водорода. Кубан обладает высокой энергоемкостью и аномально большой термической устойчивостью, что, несомненно, делает данное вещество перспективным материалом для топливных элементов. Однако его использование в качестве топлива (high-energy-density fuel) технологически неудобно, так как при комнатной температуре кубан – твердое вещество – молекулярный кристалл – практически нерастворимое в других углеводородах. Производное же от кубана – метилкубан C₉H₁₀, в котором один из атомов водорода замещен CH₃-группой (рис. 1), напротив, является жидкостью и рассматривается как кандидат в эффективное нетоксичное топливо. Однако, по сравнению с кубаном, метилкубан практически не исследован. Его геометрические и энергетические свойства до сих пор оставались мало изученными. Работа [2] несколько исправляет сложившуюся ситуацию.

Основной целью работы [2] являлось теоретическое исследование геометрических и энергетических характеристик молекулы C₉H₁₀, возможных каналов и продуктов ее распада, а также определение энергии активации процесса распада и соответствующего частотного фактора в формуле Аррениуса для температурной зависимости времени жизни τ. Расчеты проводили методом молекулярной динамики в рамках неортогонального потенциала сильной связи в интервале температур от 1000 K до 2000 K. Поскольку потенциал сильной связи представляет собой разумный компромисс между чрезмерно упрощенными классическими потенциалами и ресурсоемкими первопринципными (ab initio) подходами, авторам удалось проследить эволюцию молекулы метилкубана вплоть до 1 мкс (длительного по атомным меркам периода времени), практически не потеряв при этом в точности. Результатом компьютерного моделирования стала температурная зависимость времени жизни метилкубана. Из ее анализа были определены значения энергии активации и частотного фактора в уравнении Аррениуса. Расчеты хорошо согласуются с данными экспериментов по пиролизу метилкубана [3].

Рис.1. Метилкубан C₉H₁₀

В дальнейшем полученную зависимость τ(T) можно использовать для оценки времени жизни метилкубана при различных температурах. Особый интерес представляет случай комнатной температуры, при которой его время жизни может достигать ~10¹³ с, что довольно необычно для метастабильной молекулы. Кроме того, авторы детально проанализировали каналы распада метилкубана и пришли к выводу, что основным продуктом его распада является изомер C₉H₁₀ с более низкой энергией – молекула метилциклооктатетраена. Будем надеяться, что полученные в [2] результаты стимулируют дальнейшие исследования и подскажут направление поиска новых способов синтеза этого перспективного углеводорода.

М.Маслов

    1.ПерсТ, 16, вып. 4, с. 4 (2009).

    2. Хим. физ. 28, 44 (2009).

    3. J. Phys. Chem. A 107, 1162 (2003).

КВАНТОВЫЕ СИСТЕМЫ

Наличие в металлах поверхности Ферми – главный признак применимости концепции квазичастиц и теории ферми-жидкости к описанию их электронной подсистемы. Конкретный вид этой поверхности определяет электрические, магнитные, оптические и другие характеристики того или иного металла. Для экспериментального определения поверхности Ферми обычно используют эффект де Гааза – ван Альфена или фотоэмиссионную спектроскопию с угловым разрешением. В работе [1] коллектива немецких физиков показано, что это можно делать и с помощью сканирующей электронной микроскопии (СТМ). Дело в том, что при внедрении примесных атомов в приповерхностный слой на СТМ-изображении поверхности возникает характерный узор, вид которого зависит от электронной зонной структуры материала, а значит – и от его поверхности Ферми (рис. 1).

Рис. 1. СТМ-изображения поверхности Cu(111) с четырьмя примесными атомами Co в приповерхностном слое (A) и поверхности Cu(100) с одним атомом Co в приповерхностном слое (B).

Авторы [1] применили эту методику к исследованию поверхности Ферми меди. В качестве примеси они использовали кобальт. Интересно, что даже при почти сферической форме поверхности Ферми (как в меди) СТМ-изображения могут быть сильно анизотропными (рис. 1В). Это согласуется с теоретическими расчетами. Очень важно, что с помощью СТМ можно изучать локальные изменения поверхности Ферми на нанометровом масштабе, а также различные характеристики границ раздела и примесных атомов вблизи поверхности.

1. A.Weismann et al., Science 323, 1190 (2009).

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

В недавней работе отечественных ученых [1] предложен механизм, который может объяснить часто наблюдающийся эффект “зацепления” сегнетоэлектрических и антиферромагнитных доменных границ друг за друга (см. например [2]).

Виной тому взаимодействие магнитоэлектрической природы, ранее упоминавшееся в связи с электрической поляризацией в манганитах, вызванной магнитными спиралями [3], а также в связи с зарождением и движением магнитных доменных границ электрическим полем [4]. Это неоднородное магнитоэлектрическое взаимодействие описывается вкладом в свободную энергию вида P_in_jÑ_kn_l , где P – электрическая поляризация, Ñ – векторный дифференциальный оператор, а n – магнитный параметр порядка – намагниченность или вектор антиферромагнетизма. Если существует пространственная модуляция магнитного параметра порядка n, то с ней связана электрическая поляризация P. Также возможен обратный эффект, при котором электрическое поле порождает неоднородное магнитное упорядочение.

Бывает и такое, что магнитные спирали или доменные стенки не зарождаются, будучи “задавленными” сильной анизотропией, внешним полем или пространственным ограничением в тонких пленках. Вещество находится в однородном магнитном (антиферромагнитном) состоянии. В этом случае вклады в энергию  P_in_jÑ_kn_lс очевидностью равны нулю. Тем не менее, даже загнанное в подполье неоднородное магнитоэлектрическое взаимодействие может проявить себя, если ему поможет сегнетоэлектрическая доменная структура.

Скачок электрической поляризации на границах сегнетоэлектрических доменов должен приводить к скачку пространственной производной от магнитного параметра порядка, что проявляется в виде “выплесков” на границах (рис. 1а). Графическое изображение модуляции направления вектора антиферромагнетизма, задаваемого углом θ, показано на рис. 1б.

а

б

Рис. 1. Наведение модуляции антиферромагнитного вектора под действием сегнетоэлектрической доменной структуры: а - схематическое изображение, красные стрелки – поляризация, зеленые – вектор антиферромагнетизма; б - графическая зависимость [1]: сегнетоэлектрическая доменная структура (сплошная линия, правая шкала), антиферромагнитная (пунктирная линия, левая шкала), θ – угол, образованный вектором антиферромагнетизма с нормалью.

Получается, что при наличии сегнетоэлектрической доменной структуры однородное антиферромагнитное состояние уже не является состоянием с наименьшей энергией. Если же в материале сосуществуют магнитная (антиферромагнитная) и сегнетоэлектрическая доменные структуры, то рассмотренный выше эффект может проявляться в виде пиннига (от англ. подшивание, зацепление) магнитных доменных границ на сегнетоэлектрических доменных границах.

СПИНТРОНИКА

Недавно на семинаре в Институте физических проблем им. П.Л.Капицы состоялось выступление В. Сторчака (Курчатовский институт), посвященное исследованию магнитных поляронов мюонными методами. Само понятие магнитный полярон (МП) или феррон было “введено в научный оборот” Э.Л. Нагаевым более 40 лет назад [1]. Согласно Нагаеву, МП – это ферромагнитная капля нанометровых размеров, возникающая в антиферромагнитном полупроводнике за счет автолокализации носителей тока, вводимых в полупроводник при допировании. Дополнительный всплеск интереса к этим объектам приходится на 90-е годы в связи с открытием эффекта колоссального магнитосопротивления в манганитах, где МП и связанное с ними мелкомасштабное фазовое расслоение играют фундаментальную роль [2]. Интерес к магнитным поляронам подогревается перспективой их использования в приборах спинтроники.

Рис. 1. Схема образования магнитного полярона на основе электрона, захваченного мюоном.

Схема образования МП в ферромагнетике выше температуры Кюри, когда спины решетки полностью разупорядочены, выглядит следующим образом (рис. 1). Вначале электрон локализуется на мелком кулоновском центре (это может быть примесь). Типичная энергия связи порядка 10мэВ, и волновая функция электрона распространяется на много периодов решетки. При такой малой энергии связи при комнатной температуре электрон часто уходит с центра и участвует в проводимости. Это есть металлическое состояние материала. Оказавшись на центре, далее из-за обменного взаимодействия этого электрона со спинами электронов атомов решетки происходит их взаимная поляризация в одинаковом направлении. Волновая функция “сжимается”, захватывая уже только несколько атомов решетки. Возникает локальное ферромагнитное состояние, которое и называется магнитным поляроном. Энергия связи электрона возрастает до 0.5эВ. Электрон с такой энергией связи даже при комнатной температуре уже совершенно не участвует в проводимости, иными словами, возникает диэлектрическое состояние. Из представленной картины ясно, почему МП не возникает в ферромагнитном состоянии материала (ниже температуры Кюри). Тогда энергия обменного взаимодействия не зависит от положения электрона.

Несмотря на довольно ясную физическую картину, непосредственно наблюдать МП до недавнего времени не удавалось. Что такое “увидеть полярон”? Это означает увидеть локальное магнитное поле, которое в нем существует. Такое наблюдение позволили осуществить мюоны. Эти частицы имеют положительный заряд, равный заряду электрона, и массу в 200 раз большую. Время их жизни составляет 2мкс. Из мишени, установленной на протонном ускорителе, вылетают мюоны, у которых спин строго ориентирован против направления движения. Это означает, что, попадая в исследуемый материал, они все имеют известную спиновую поляризацию. Оказавшись в области локального магнитного поля, спины прецессируют (рис. 2). При распаде мюона образуется позитрон, у которого спин строго направлен в сторону движения. Как заряженная частица позитрон легко регистрируется. Испускание позитронов в разных направлениях означает наличие локального магнитного поля в материале. При этом среднее магнитное поле равно нулю и не может быть зарегистрировано магнитными датчиками.

Рис. 2. Прецессия спина мюона в локальном магнитном поле и образование атома мюония.

Именно подобный эксперимент удалось недавно реализовать группе Сторчака [3], работающей в тесном сотрудничестве с западными научными центрами. Следует отметить, что мюон играл роль не только детектора магнитного поля, но и служил для электронов кулоновским центром, образуя атом мюония (рис. 1 и рис. 2), вокруг которого собственно и возникала ферромагнитная область. В представляемой работе в качестве материала выступал EuS. Группа проводит исследования и с EuO. Отметим, что похожую картину та же группа наблюдала и в разбавленных магнитных полупроводниках системы GaMnAs [4].

В.Вьюрков

1. Э.Л.Нагаев, Письма ЖЭТФ 6, 484 (1967).

2. М.Ю.Каган, К.И.Кугель, УФН 171, 577 (2001).

3. V.G.Storchak et al. Physica B: Condensed Matter (2008) doi:10.1016/j.physb.2008.11.142 

4. V G Storchak et al., Phys. Rev. Lett. 101, 027202 (2008).