Важнейшие научные результаты

НАИБОЛЕЕ ЗНАЧИМЫЕ результаты, полученные в ИФТТ РАН в 2025 г.

Утверждены на заседании Ученого совета ИФТТ РАН 15 декабря 2025 г.
(протокол № 26)

1. Металл-поддерживаемые твердооксидные топливные элементы с единственным низкотемпературным insitu обжигом

И.С. Ерилин , И.Н. Бурмистров , Д.А. Гайнуллина , Е.А. Агаркова , С.И. Бредихин
(с соавторами)

В работе демонстрируется технологический маршрут изготовления металл-поддерживаемых твердооксидных топливных элементов (МП-ТОТЭ) с единственным обжигом при температуре 1000°С в составе стенда, имитирующего условия в батареях ТОТЭ. Разработанные МП-ТОТЭ продемонстрировали удельную мощность близкую к рекордным мировым показателям, с наибольшим преимуществом в области более низких температур и более высоких КПД (напряжений).

Представленная концепция МП-ТОТЭ была разработана и изготовлена впервые в мировой практике. Основная новизна связана с использованием метода осаждения слоев из сухого порошка, который позволил изготовить высокоактивный анод с температурами консолидации 950 – 1000°С достаточными для отсутствия значительного окисления стальных токосъемов и подложки, а также с адгезионной прочностью достаточной для осаждения электролитной мембраны магнетроном без промежуточных обжигов, что в конечном итоге позволило проводить единственный обжиг с разделенными газовыми пространствами анод-катод. Впервые в мировой практике промышленно-ориентированным методом был изготовлен анод для МП-ТОТЭ, внедренный в поры подложки почти на всю толщину, что обеспечивает невозможность его деламинации в процессе быстрых нагревов и охлаждений. Анализ спектров импеданса (Рис. 1) изготовленных МП-ТОТЭ и анод-поддерживаемых ТОТЭ (АП-ТОТЭ) на основе коммерческой подложки показал, что при температурах 600–650°С основной вклад в сопротивление в случае МП-ТОТЭ вносит катод, а в случае АП-ТОТЭ анодный и катодный вклад примерно равен, что продемонстрировало важность высокой активности анода при температурах 600–650°С.

Рис. 1. Вольт-амперные и мощностные характеристики МП-ТОТЭ (MSC) и АП-ТОТЭ (ASC) (слева) и сечение полуэлементаМП-ТОТЭ (справа)

Публикация: Erilin, I.S. Metal-supported solid oxide fuel cell with low temperature single in situ firing: fabrication, analysis, perspectives / I.S. Erilin, I.N. Burmistrov, E.A. Smolyanskiy, A.A. Solovyev, D.A. Gaynullina, E.A. Agarkova, S.I. Bredikhin // Journal of Power Sources. – 2025. – Vol. 659. – P. 238430. – DOI:10.1016/j.jpowsour.2025.238430

Уровень готовности технологии – второй УГТ

Полученный результат соответствует приоритетному направлению научно-технического развития Российской Федерации, утвержденным Указом Президента Российской Федерации от 18.06.2024 №529 – 1. Высокоэффективная и ресурсосберегающая энергетика.

Государственное задание ИФТТ РАН: «Фундаментальные исследования и проблемно-ориентированные разработки по созданию макетных образцов энергетических установок на базе твердооксидных топливных элементов (ТОТЭ)», №125032804581-9

Энергетика и рациональное природопользование, направление 2.5.1.7. Альтернативные источники энергии, технологии, производство и преобразование энергии на основе возобновляемых источников.

2. Спиновый вентиль для поверхностных состояний в топологических полуметаллах

Авакянц А.А., Есин В.Д., Казьмин Д.Ю., Орлова Н.Н., Колесников Н.Н., Тимонина А.В., Девятов Э.В.

Рис.1. Магнетосопротивление спинового вентиля на основе гетероперехода GeTe–Ni между топологическим полуметаллом α-GeTe и тонкой никелевой плёнкой при гелиевой температуре. Кривые приведены при различных токах смещения через образец для двух направлений развёртки магнитного поля

В последнее время значительный интерес привлекают различные реализации магнитной памяти, существенным элементом которых является спиновый вентиль. Обычно, спиновый вентиль представляет собой многослойную структуру из нескольких ферромагнитных слоёв, разделённых слоями нормального металла или туннельными промежутками. Электросопротивление такой многослойной структуры зависит от взаимной ориентации намагниченностей слоёв в силу спин-зависимого рассеяния носителей заряда, в результате чего сопротивлением спинового вентиля можно управлять внешним магнитным полем путём выстраивания параллельной либо антипараллельной конфигурации намагниченностей слоёв.

С другой стороны, спиновый вентиль может быть реализован на основе спин-поляризованных топологических поверхностных состояний в топологических полуметаллах. Кроме чисто научного интереса, в таком устройcтве можно ожидать высокоэффективной конверсии спин-заряд в силу жёсткой связи спина и импульса для топологических состояний (spin-momentumlocking). При этом особый интерес представляет собой полуметалл α -GeTe, где топологические свойства наблюдаются уже при комнатной температуре и сохраняются вплоть до криогенных температур.

В данной работе мы экспериментально исследовали магнетосопротивление одиночного гетероперехода GeTe–Ni между топологическим полуметаллом α-GeTe и тонкой никелевой плёнкой при комнатных и гелиевых температурах. Мы продемонстрировали характерную спин-вентильную характеристику в сопротивлении гетероперехода при комнатной температуре и при температуре жидкого гелия (Рис. 1). Из продемонстрированной анизотропии магнетосопротивления, наблюдения нами аналогичного поведения для гетероперехода на основе дираковского полуметалла Cd₃As₂–Ni и полного отсутствия спин-вентильных эффектов для референсного гетероперехода GeTe–Au, мы можем уверенно связать обнаруженный спин-вентильный эффект с спин-зависимым рассеянием между спиновыми текстурами в топологическом поверхностном состоянии и ферромагнитным никелевым электродом. С точки зрения фундаментальных исследований мы продемонстрировали влияние топологических спиновых текстур на транспорт носителей заряда в гетероструктурах, с точки зрения возможных применений — эффективную конверсию спин-заряд уже при комнатной температуре.

Публикация:Avakyants, A.A. Spin-valve effect for spin-polarized surface states in topological semimetals / A.A. Avakyants, V.D. Esin, D.Yu. Kazmin, N.N. Orlova, A.V. Timonina, N.N. Kolesnikov, E.V. Deviatov // JETP Letters. – 2025. – Vol. 121, Iss. 9. – DOI:10.1134/S0021364025606293

Государственное задание ИФТТ РАН:«Коллективные явления в транспортных и оптических свойствах наноструктур, включая гибридные наноструктуры», №125032704559-9

Физические науки, направление 1.3.2.3. Физика магнитных явлений, магнитные материалы и структуры, спинтроника.

3. Спектр плазменных возбуждений в плазмонном кристалле на базе AlGaAs/GaAs гетероструктуры

А.А. Заболотных, А.С. Астраханцева, И. В. Кукушкин, В.М. Муравьев (с соавторами)

Проведено комплексное исследование спектра и релаксации плазменных возбуждений в плазмонном кристалле, изготовленном на основе двумерной электронной системы в полупроводниковой гетероструктуреAlGaAs/GaAs (Рис. 1). Ключевой особенностью эксперимента было использование терагерцовой спектроскопии во временной области для прямого наблюдения за эволюцией фундаментальной плазмонной моды при планомерном изменении ширины металлических полос затвора (коэффициента заполнения) при фиксированных периодах решётки 8 и 12 мкм. Для объяснения наблюдаемых явлений авторы разработали новый аналитический подход, основанный на решении уравнений Максвелла для пространственных гармоник, который оказался существенно точнее широко используемой феноменологической модели Кронига-Пенни. Теоретический анализ подтвердил, что плазмонные моды в таком кристалле имеют природу делокализованнойсверхрешетки и представляют собой гибридизацию множества пространственных гармоник, а не простое чередование мод в экранированных и неэкранированных областях. Другим важнейшим результатом работы стало выявление механизмов затухания плазменных колебаний. Было обнаружено, что ширина линии резонанса не является постоянной: при малых коэффициентах заполнения она определяется классическим одночастичным рассеянием (столкновениями с примесями и фононами), что коррелирует с измеренной транспортной подвижностью электронов. Однако с увеличением ширины затвора происходит резкое уширение линии, вызванное эффектами радиационного затухания. Это свидетельствует о том, что металлическая затворная решетка действует как эффективная антенна, связывающая плазмоны с внешним электромагнитным полем. Полученные результаты углубляют понимание физики плазмонных кристаллов и создают научную основу для инженерии новых терагерцовых устройств, таких как детекторы, генераторы и фазовращатели.

Рис. 1. (a) Схематическое изображение исследуемого плазмонного кристалла (b) Фотография ячейки плазмонного кристалла, полученная в электронный микроскоп.

Публикация: Khisameeva A. R. Spectrum of plasma excitations in a plasmonic crystal fabricatedin an AlGaAs/GaAs heterostructure / A.R. Khisameeva, A. Shuvaev, A.A. Zabolotnykh, A.S. Astrakhantseva, D.A. Khudaiberdiev, A. Pimenov, I.V. Kukushkin, V.M. Muravev // Physical Review Research. – 2025. – Vol. 7, Iss. 3. – P. 033224. – DOI:10.1103/3gnt-w1zj

Грант РНФ № 19-72-30003

Физические науки, направление 1.3.2.5. Физика нано- и гетероструктур, мезоскопика.

4. Плазменные возбуждения в системе сверхпроводящих электронов в тонких пленках NbN

С. А. Андреева, А. В. Щепетильников,К. Р. Джикирба, В. В. Соловьев,И. В. Кукушкин

Главной проблемой для обнаружения плазменных возбуждений в системе трехмерных сверхпроводящих электронов является очень большая (по сравнению с полупроводниковыми системами) электронная плотность, что приводит к большой частоте плазменных возбуждений, значительно превышающей сверхпроводящую щель. В этих условиях плазменные возбуждения оказываются сильно затухающими и их невозможно наблюдать. Поскольку в двумерных электронных системах спектр плазменных возбуждений является бесщелевым, то в этом случае плазменную частоту всегда можно уменьшить вплоть до нуля путем уменьшения волнового вектора возбуждений (например, с помощью увеличения размеров образца) и таким образом сделать плазменную частоту значительно меньшей, чем сверхпроводящая щель.

В настоящей работе в тонких пленках NbN впервые обнаружены двумерные плазменные волны в системе сверхпроводящих электронов (Рис. 1) и измерена их дисперсия (Рис. 2). Мы использовали очень тонкие пленки NbN, в которых концентрация сверхпроводящих электронов была значительно уменьшена по сравнению с полной электронной плотностью. В этих условиях нами были обнаружены особенности резонансного пропускания ТГц излучения, которые зависели от размера электронной системы. Установлено, что эти резонансы исчезали при температурах выше критической (Т_с). Кроме того, показано, что по мере увеличения температуры вплоть до Т_с наблюдался сдвиг резонансной частоты в сторону меньших частот (за счет уменьшения плотности сверхпроводящих электронов), а также наблюдалось значительное уширение резонансных особенностей. Измерена дисперсия плазменных возбуждений и показано, что плазменная частота линейно зависит от волнового вектора.

Рис.1. Спектры пропускания от частоты дисков диаметром 0.3 мм, сделанных из пленки NbN , измеренные при T>T_c и T<T_c.

Рис. 2. Дисперсии плазменных возбуждений, измеренные для пленок NbN на поверхности кремния и сапфира.

Публикация: Статья находится на этапе рецензирования в журнале Physical Review Letters

Государственное задание ИФТТ РАН: «Коллективные явления в транспортных и оптических свойствах наноструктур, включая гибридные наноструктуры», №125032704559-9

Физические науки, направление 1.3.2.8. Квантовая макрофизика, Бозе-конденсаты, сверхпроводимость.

5. Перспективы использования твердооксидных топливных элементов для генерации энергии из низкокалорийных сбросных газов

А.У. Шарафутдинов, Е.В. Ципис, Д.В. Матвеев, Н.В. Деменева, М.С. Дякина, С.Д. Родионова, В.В. Хартон, С.И. Бредихин

Исследование направлено на решение проблемы утилизации низкокалорийных сбросных газов угольных шахт и полигонов твердых бытовых отходов. Основными компонентами свалочного и шахтного газов являются CH4, CO2 и N2. Низкая концентрация метана в таких газах затрудняет их утилизацию с использованием газопоршневых и газотурбинных установок. Технологии на основе твердооксидных топливных элементов (ТОТЭ) характеризуются рекордными КПД (до 65%), возможностью использовать различные виды топлива, экологической безопасностью, большим межсервисным интервалом и легкостью масштабирования. Поэтому использование сбросных газов в ТОТЭ для производства электрической и тепловой энергии существенно снизит нагрузку на окружающую среду. Эффективность и ограничения ТОТЭ, работающих на модельных топливных газах, содержащих 25–100 % метана, с внешним предварительным риформингом и без него, были оценены с использованием электрохимических испытаний и моделирования. Экспериментальные результаты (Рис. 1) показали, что ТОТЭ разработанной нами конфигурации с элементами промышленного размера (10×10 см²) позволяют использовать в качестве топлива газовые смеси с относительно низкими концентрациями метана по-прежнему обеспечивая достаточно высокую эффективность преобразования энергии. Это подтверждается результатами моделирования, показывающими, что даже при значительном разбавлении метана (до 10%) сохраняется возможность стабильной работы ТОТЭ с приемлемыми значениями мощности; КПД при этом падает незначительно (с 59% до 44%).

Рис.1 - Фотографии этапов сборки батареи ТОТЭ (слева); вольт-амперные характеристики и удельные мощности батареи ТОТЭ, работающей на газовых смесях CH4-CO2-H2O (справа).

Публикация: Sharafutdinov, A.U. Performance of SOFCs using waste gases: Effects of CH4/CO2/H2O ratio / A.U. Sharafutdinov, E.V. Tsipis, D.V. Matveev, N.V. Demeneva, M.S. Dyakina, S.D. Rodionova, V.V. Kharton, S.I. Bredikhin // Chemical Engineering Journal. – 2025. – Vol. 512. – P. 162725. – DOI:10.1016/j.cej.2025.162725

Полученное достижение соответствует приоритетному направлению научно-технологического развития Российской Федерации: Высокоэффективная и ресурсосберегающая энергетика.

Грант РНФ №20-19-00478-П

2.5.1. Энергетика и рациональное природопользование

1.4.4.2. Научные основы топливных элементов;

1.4.4.4. Материаловедение энергогенерирующих, энергоаккумулирующих устройств, аппаратов, систем передачи и преобразования энергии.

6. Композит из кремнезема и детонационных наноалмазов с частично удаленными оболочками

М.А. Короткова, В.С. Ефимченко, В.Е. Антонов, О.И. Баркалов, Т.Н. Фурсова, К.А. Гавриличева, С.В. Зайцев (с соавторами)

Одиночные детонационные наноалмазы (ДНА) с азотно-вакансионными центрами NV привлекают интерес в качестве излучателей одиночных фотонов. В данной работе предложен способ преодоления двух основных проблем ДНА: склонности к агломерации и наличия оболочки из графитоподобного углерода. После сжатия при 75 кбар и 250 °C исходный аэрогель SiO₂, содержащий отдельные наночастицы ДНА, необратимо превращается в плотный и химически инертный материал, препятствующий их агломерации. Последующее его насыщение водородом при P=75 кбар и T=600 °C удаляет часть оболочки ДНА (рис. 1, левая панель) и, таким образом, активизирует люминесценцию отрицательно заряженных NV– без использования низких температур (рис. 1, правая панель).

Рисунок 1. Левая панель: Рамановский спектр исходных ДНА (a) и в составе композита после насыщения водородом (b). Правая панель: общий вид рамановского спектра композита после его насыщения водородом. Все спектры получены при нормальном давлении и температуре

Публикация: Korotkova, M.A. Bulk composite of silica and detonation nanodiamonds with partially removed sp2 shells / M.A. Korotkova, V.S. Efimchenko, V.E. Antonov, O.I. Barkalov, I.G. Fomina, T.N. Fursova, K.A. Gavrilicheva, S.V. Zaitsev, I.O. Gozhikova, A.Ya. Vul', S.A. Lermontov // CeramicsInternational. – 2025. – Vol. 51, Iss. 18, № Part 1. – P. 25160–25168. – DOI:10.1016/j.ceramint.2025.03.197

Государственное задание ИФТТ РАН: «Структура, фазовые переходы, свойства жидких и твердых тел», №: 125031904202-5

Физические науки, направление 1.3.2.2. Структурные исследования конденсированных сред, связь структуры и свойств.

7.Динамика решетки, сжимаемость, тепловое расширение и теплоемкость многослойного графана

В.Е. Антонов, В.С. Ефимченко, В.И. Кулаков, Р.И. Усманов (с соавторами)

Рисунок 1. Кристаллическая структура фазы «графан-II» и обобщенная плотность G(E) её фононных состояний со щелью 15 мэВ между акустической и оптической зонами.

Многослойный графан (гидрид графита) – это новый кристаллический углеводород состава CH, впервые синтезированный в ИФТТ РАН [1] и представляющий собой одну из теоретически предсказанных ранее [2] фазу «графан II» 3D-графана, состоящую из гофрированных слоев 2D-графана в конформации «кресло», уложенных вдоль гексагональной оси в последовательности -ABAB-, пр. группа P6_3mc (Рис. 1). Кристаллическая структура графана была однозначно установлена в нынешней работе по наличию щели вблизи 100 мэВ в колебательном спектре G(E), изученном при T = 7 K методом неупругого рассеяния нейтронов (см. рисунок) на практически однофазном образце. Такой образец впервые удалось синтезировать при T = 870 K и давлении водорода 7.4 ГПа, предварительно активировав поверхность частиц графита мягким помолом в атмосфере водорода при давлении 1 МПа. Хорошая точность определения колебательного спектра подтверждена калориметрическими измерениями при температурах 120–673 K.

Рентген-дифракционное исследование в алмазных наковальнях показало, что фаза графан II устойчива в атмосфере водорода при давлениях до 53 ГПа и температурах до 1500 K. Это характеризует полученное экзотическое соединение как один из самых химически, барически и термически устойчивых углеводородов и делает его важной частью системы C-H. Интересно отметить, что согласно первопринципным расчетам [3], все фазы многослойного графана, включая фазу графан-II, термодинамически неустойчивы в атмосфере водорода при T > 0 K и давлениях до 400 ГПа.

[1] V.E. Antonov, I.O. Bashkin, A.V. Bazhenov et al., Carbon 100 (2016) 465–473.

[2] X.-D. Wen, L. Hand, V. Labetetal., PNAS 108 (2011) 6833–6837.

[3] A.S. Naumova, S.V. Lepeshkin, A.R. Oganov, J. Phys. Chem. C 123 (2019) 20497–20501.

Публикация: Yartys, V.A. Reversible hydrogen storage in multilayer graphane: Lattice dynamics, compressibility, and heat capacity studies / V.A. Yartys, V.E. Antonov, B.M. Bulychev, V.S. Efimchenko, V.I. Kulakov, M.A. Kuzovnikov, R.T. Howie, H.A. Shuttleworth, M. Holin, R. Rae, M.B. Stone, B.P. Tarasov, R.I. Usmanov, A.I. Kolesnikov // Materials Chemistry and Physics. – 2025. – Vol. 332. – P. 130232. – DOI:10.1016/j.matchemphys.2024.130232

Грант РНФ № 23-22-00361

Физические науки, направление: 1.3.2. Физика конденсированных сред и физическое материаловедение

8. Очистка сырья и выращивание кристаллов CaF₂ вертикальной зонной плавкой

Колесников Н.Н., Тимонина А.В., Ажгалиева А.С.

Кристаллы CaF₂ – ключевой материал для лазерной литографии в дальнем ультрафиолетовом диапазоне, особенно с использованием эксимерных лазеров с длиной волны 193 нм, в которых CaF₂ используется как для проходной, так и для фокусирующей оптики. Это применение требует получения кристаллов высокой чистоты и больших размеров. Нами разработана методика очистки сырья CaF₂ и выращивания кристаллов методом вертикальной зонной плавки.

Демонстрация очистки CaF₂ многопроходной зонной плавкой: исходное сырье: CaF₂ ГОСТ 7167-54, содержание CaF₂ – 98 %. Основные примеси:SO₄ (0,15 %), Fe (0,025 %), Pb (0,01 %), Si (0,04 %). Процесс, при пяти проходах зоны, позволяет очистку от всех основных примесей (в пределах погрешности микрорентгеноспектрального анализа), кроме Fe (Рис. 1-2). Нами также разработан комплекс эффективных мер для снижения содержания железа в кристаллах.

Рис. 1. Образцы CaF₂ из кристалла, выращенного пятью проходами зоны

Рис. 2. Эволюция спектра пропускания CaF₂ в УФ диапазоне с ростом числа проходов зонной плавки от 1 до 5. Толщина образцов 1 мм.

По результатам исследования подана заявка на выдачу патента на изобретение [1].

[1]Патент:Колесников Н.Н., Тимонина А.В., Хамидов А.М., Ажгалиева А.С. Способ очистки и получения кристаллов CaF2, заявка на выдачу патента на изобретение РФ, рег. № 2025130063.

УГТ: второй

Направление научно-технологического развития Российской Федерации: Безопасность получения, хранения, передачи и обработки информации.

Государственное задание ИФТТ РАН: "Физика, физическоематериаловедение и технологии новых неорганических материалов ифункциональных структур", № 125032804582-6

Физические науки, направление1.3.5.5. Физика лазеров и лазерных материалов; нелинейные оптические явления

9.Локальная термометрия чешуйки NbSe₂ путем измерения дельта-T шума

М.Г. Прокудина, А.Ф. Шевчун, В.С. Храпай, Е.С. Тихонов

Понимание динамики квазичастиц в сверхпроводниках необходимо для улучшения работы электронных микрорефрижераторов на основе сверхпроводников, детекторов фотонов, элементов кинетической индуктивности и кубитов. В настоящей работе мы реализовали подход для локальной термометрии электронных состояний в неравновесном сверхпроводнике (чешуйка NbSe₂), основанный на измерениях шума слабосвязанного туннельного контакта. Ранее аналогичный подход применялся для локальной термометрии электронных состояний в диффузионных металлических проводниках с использованием в качестве зонда полупроводникового InAsнанопровода с пренебрежимо малым электрон-фононным рассеянием. В дальнейшем этот же подход, но уже с зондом в виде туннельного перехода, позволил получить энергетическое разрешение электронных состояний в диффузионных металлических проводах. Однако, до сих пор этот подход никогда не применялся к сверхпроводникам. Отметим, что он не опирается ни на какие-либо спектральные характеристики сверхпроводника или зонда, поэтому его применимость не ограничивается низкой температурой и нулевым магнитным полем, как в экспериментах по спектроскопии туннельного кондактанса. Данный подход может быть использован для характеризации не только других сверхпроводников из семейства дихалькогенидов переходных металлов вплоть до двумерного предела, но и для объёмных сверхпроводников. На Риc. 2 помимо образца и схемы измерений на правой панели показан основной результат — локальная электронная температура в чешуйке NbSe₂ вблизи туннельного перехода (красная точка на центральной панели Рис. 2) в нормальном (желтые символы) и сверхпроводящем состоянии (синие символы). Данные измерения позволяют извлечь длину электрон-фононного рассеяния в NbSe₂ le-ph= 0,8/T1,1 мкм К1,1.

Рис. 2 Слева: Оптическая микрофотография образца. Отслоенная чешуйка NbSe₂ (обведена белой линией) помещается на предварительно сформированные электроды, а затем покрывается чешуйкой hBN. По центру: Схема измерений для спектроскопии кондактанса/шума. Справа: Локальная электронная температура в NbSe2 непосредственно под ТП как функция общей джоулевой мощности, выделяемой в чешуйке из-за тока I₁₂. Пунктирная линия — аппроксимация с использованием теоретической модели.

Публикация: Prokudina, M.G. Local Thermometry of NbSe2 Flake with Delta-T Noise Measurements / M.G. Prokudina, A.F. Shevchun, V.S. Khrapai, E.S. Tikhonov // JETP Letters. – 2025. – Vol. 122, Iss. 4. – P. 250–258. – DOI:10.1134/S0021364025607869

Государственное задание ИФТТ РАН: «Коллективные явления в транспортных и оптических свойствах наноструктур, включая гибридные наноструктуры», №125032704559-9

Физические науки, направление 1.3.2.5 - Физика нано- и гетероструктур, мезоскопика.

10.Светоиндуцированное упорядочение скирмионов с образованием кубической фазы в хиральномнематике

П.В. Долганов, Е.А. Максимов, В.К. Долганов (с соавторами)

Скирмионы, локализованные топологически устойчивые структуры без сингулярностей, изучаются в различных разделах физики, в том числе физики конденсированного состояния. В хиральных жидких кристаллах скирмионы образуют упорядоченные кубические структуры с периодом несколько сотен нанометров (кристаллические жидкости или так называемые Голубые фазы) с фазовыми переходами при изменении температуры. Нами впервые реализовано образование упорядоченной структуры скирмионов (фаза BPII) при световом воздействии.

Использован жидкокристаллический материал, содержащий фоточувствительное вещество, молекулы которого изменяют форму при освещении. Обнаружено, что освещение материала в изотропной фазе светом ультрафиолетового диапазона приводит к образованию упорядоченной структуры скирмионов с появлением характерного рефлекса в спектре отражения (рис. 1). Кубическая структура сохраняется при выключении освещения. Обнаружено, что у фотоиндуцированной кубической структуры конечное окно стабильности по интенсивности облучения. Длительное освещение ультрафиолетовым светом или облучение видимым светом приводит к обратному переходу в изотропную фазу.

Рис. 1 Освещение образца в изотропной фазе (a) ультрафиолетовым светом (365 нм) приводит к образованию кубической структуры (b). При дальнейшем освещении происходит переход в изотропную фазу (c). Освещение изотропной структуры (c) видимым светом (455 нм) индуцирует обратные переходы в кубическую структуру (d) и в изотропную фазу (e). Фотографии в изотропной и кубической фазах получены в отраженном свете.

Публикация: Долганов, П.В. Светоиндуцированное упорядочение скирмионов с образованием кубической фазы в хиральномнематике / П.В. Долганов, Е.А. Максимов, Н.В. Баленко // Письма в Журнал Экспериментальной и Теоретической Физики. – 2025. – Т. 122, № 5. – С. 299–305. – DOI:10.31857/S0370274X25090085

Государственное задание ИФТТ РАН:«Структура, фазовые переходы, свойства жидких и твердых тел», №: 125031904202-5

Физические науки, направления: 1.3.2.10. Физическое материаловедение и физика дефектов, 1.3.2.6. Физика поверхности, границ раздела и других протяженных дефектов.

11. Полые кремнеземные наносферы с высоким содержанием молекулярного водорода

В. С. Ефимченко, К. П. Мелетов, М. А. Короткова, В. М. Масалов, Н. С. Сухинина, Г. А. Емельченко, Р. И. Усманов

Полые сферы из силикатного стекла ранее предлагались в различных направлениях альтернативной энергетики как один из возможных материалов для хранения водорода и его изотопов. Однако, сферы с диаметром более 5 микрометров разрушаются при давлениях выше 1 кбар, что приводит к ограничению количества поглощенного ими водорода. В данной работе полые сферы SiO₂ , имеющие в 17 раз меньший диаметр (289 нм), и толщину оболочки 25 нм, насыщались водородом при давлении P=75 кбар и температуре T = 413 К. Достигнутое значение молярного отношения H₂/SiO₂ = 0.94 является наивысшим содержанием водорода, когда-либо полученным в силикатах. Как показано на рисунке 1, высокое давление не деформировало и не разрушало эти сферы, что указывает на их высокую прочность. Согласно Рамановской спектроскопии (рис. 1), молекулы водорода образуют газ в полостях наносфер и твердый раствор в их оболочках. Величина плотности газа внутри полости ρ=0.016 г/см³, оцененная по этим спектрам, в 52 раза больше значения его плотности при атмосферном давлении. Таким образом, использование полых сфер диаметром 289 нм позволяет проводить насыщение водородом при более высоких давлениях и таким образом достичь высоких концентраций водорода в их полости и оболочке.

Рисунок 1. Левая панель: изображения поверхности образцов исходных наносфер (а) и после их насыщения водородом при P = 75 кбар и T = 413 К (b). Изображения получены методом сканирующей электронной микроскопии. Правая панель: Рамановский спектр молекулярного водорода внутри полости наносферы (узкий пик) и в её оболочке (широкий пик).

Публикация: Efimchenko, V.S. Hollow silica nanospheres with a high content of sorbed molecular hydrogen / V.S. Efimchenko, K.P. Meletov, M.A. Korotkova, V.M. Masalov, N.S. Sukhinina, G.A. Emel’chenko, R.I. Usmanov // Fuel. – 2025. – Vol. 385. – P. 134217. – DOI:10.1016/j.fuel.2024.134217

Приоритетные направления научно-технологического развития:

1. Высокоэффективная и ресурсосберегающая энергетика.

Грант РНФ № 23-23-00426.

1.3.2.2. Структурные исследования конденсированных сред, связь структуры и свойств; 1.4.2.2. Методы и технологии получения неорганических, органических и гибридных наноматериалов и композитныхнаноматериалов для альтернативной энергетики.

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)Ho_x(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)Ho_x(MoO₄)₄ расколотый по спайности	Рис. 2. Спектр пропускания УФ, видимого и ближнего ИК излучения монокристаллическим K₅Gd_(1-x)Ho_x(MoO₄)₄	Рис. 3. Спектр пропускания ИК излучения монокристаллическим K₅Gd_(1-x)Ho_x(MoO₄)₄

Монокристаллы K₅Gd_(1-x)Ho_x(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.

Рис. (a) «ожерелье» из топологических дефектов. (b) цепочка дефектов с центральным кластером. (c) изотропныйтороидвнематике.

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), характерная для топологических изоляторов и топологических полуметаллов, распространяется и на случай обычных, нерелятивистских 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 с 180 градусной периодичностью изменения 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.

Рис.1 - Периодичность осцилляций намагниченности 180 градусов в слабых полях, характерная для ферромагнетиков, сменяется 90-градусной периодичностью в сильных, с переигрыванием минимумов и максимумов в промежуточных значениях магнитных полей.

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

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.

Рис. (a) Фотография одного из образцов изготовленного плазмонногометаматериала с металлической сеткой с периодом 0.3 мм и шириной полосок 30 мкм. (b) Пропускание девяти кремниевых чипов без сетки (синие точки) и этих же чипов с металлической сеткой (красные точки). Хорошо видна низкочастотная область плазменной непрозрачности и плазменный край (стрелка) на частоте 146 ГГц.

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

Рис. 1. Предложенная модификация дизайна СН, реализованного в 2023 г. Штриховые линии — предложенное удлинение области X_J, стрелки — изменение положения джозефсоновских контактов СКВИДа.

Рассмотрены проблемы проектирования сверхпроводниковых сигма-нейронов (СН), представляющих собой одноконтактный джозефсоновский 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.

Рис. 1 – Батарея из 24 ТОТЭ анод-поддерживаемой конструкции (слева) и ее электрохимические характеристики в зависимости от состава топливной смеси (справа).

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.

Рис. 1 Распределение завихренности по пространству для режима с крупным антициклоном в центре куба. Скорости вращение куба 3.6, 6.8, 10.8 об/мин. Вращение куба против часовой стрелки.

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.

Решетка вихрей Абрикосова на неоднородном кристалле EuRbFe₄As₄ при T_D ≈ 18К, H = 7.3Э

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
Erratum DOI: 10.1134/S0021364024010016

Грант РНФ № 23-12-00307

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

НАИБОЛЕЕ ЗНАЧИМЫЕ результаты, полученные в ИФТТ РАН в 2022 г.

Утверждены на заседании Ученого совета ИФТТ РАН 05 декабря 2022 г.
(протокол № 26)

1. Реализация режима динамически отрицательной ёмкости в рашбовском ферроэлектрике GeTe

Н.Н. Орлова, А.В. Тимонина, Н.Н. Колесников, Э.В. Девятов

В наше время, возможность наблюдения отрицательной ёмкости активно обсуждается для различных систем в целях увеличения быстродействия и энергоэффективности полупроводниковых устройств. Мы экспериментально исследовали емкостной отклик проводящего ферроэлектрическа GeTe с гигантским спин-орбитальным взаимодействием. Абсолютно неожиданным является наблюдение сильной, симметричной по знаку поля, зависимости емкостного отклика от поля затвора, при этом наблюдается ярко выраженный гистерезис в ёмкостном отклике в зависимости от направления развертки поля затвора. Такое поведение емкостной кривой мы связали с зависимостью параметра Рашбы от электрического поля затвора в условиях постоянства концентрации носителей в GeTe. В этом случае, обнаруженный гистерезис в C(V_g) отражает эволюцию ферроэлектрической поляризации в поверхностных слоях GeTe, что позволяет в том числе реализовать режим динамически отрицательной ёмкости образца, возникающий в момент переключения направления ферроэлектрической поляризации в условиях, когда поляризация меняется быстрее чем электрический заряд. Последнее утверждение независимо подтверждено во времяразрешенных резистивных измерениях.

Публикация: Orlova, N.N. Dynamic negative capacitance response in GeTe Rashba ferroelectric / N.N. Orlova, A.V. Timonina, N.N. Kolesnikov, E.V. Deviatov // Physica B: Condensed Matter. – 2022. – Vol. 647. – P. 414358. – DOI:10.1016/j.physb.2022.414358

Тема ГЗ: «Коллективные явления в электронных и экситонных системах в наноструктурах»

Физические науки, направление 1.3.2. «Физика конденсированных сред и физическое материаловедение»

2. Биротоны и «тёмные» иерархии квантово-Холловских состояний

О.А. Григорьев, Л.И. Мусина, А.Б. Ваньков, О.В. Волков, Л.В. Кулик

Предложена вычислительная схема для оценки энергий нейтральных возбуждений в состояниях с дробным квантовым эффектом Холла (ДКЭХ). Состояния ДКЭХ систематизированы в соответствии со структурой иерархии чисел Фарея. Показано, что помимо широко известной иерархии дробных состояний Лафлина-Джейна существуют и другие «темные» иерархии. Хотя они практически не наблюдаются экспериментально даже в образцах с наибольшей подвижностью, они могут существенно влиять на термодинамику и спектральные характеристики состояний ДКЭХ. Известные проблемы интерпретации экспериментальных результатов ДКЭХ объясняются сосуществованием двух принципиально различных типов превращений электронной системы, один из которых представляет собой нейтральное возбуждение в состоянии ДКЭХ, а другой — переход между двумя основными состояниями ДКЭХ, принадлежащих соответственно иерархии Лафлина-Джейна и одной из «темных» иерархий.

Рис. (а) Энергии биротонов с нулевым импульсом, рассчитанные для различных состояний ДКЭХ в диапазоне кулоновских энергий от 0.001 до 0.1 e²/ϵl_B. Дробные состояния иерархии Лафлина-Джайна и «темных» иерархий показаны серыми и красными кружками соответственно. (б) состояния ДКЭХ с энергиями из (а), приведенные в иерархическую структуру Занга – Бирмана (структура иерархии чисел Фарея). Горизонтальная и вертикальная оси обозначают соответственно абсолютное значение дроби и ее знаменатель. Диаметр точки пропорционален энергии биротона с нулевым импульсом соответствующей фракции. Линии связывают частичные состояния отдельных иерархий.

Публикация: Grigorev, O.A. Birotons and “Dark” Quantum Hall Hierarchies / O.A. Grigorev, L.I. Musina, A.B. Van’kov, O.V. Volkov, L.V. Kulik // Applied Sciences. – 2022. – Vol. 12, Iss. 15. – P. 7940. – DOI:10.3390/app12157940

Грант РНФ 18-12-00246

Физические науки, направление 1.3.2. «Физика конденсированных сред и физическое материаловедение»

3. Сверхбыстрое переключение интенсивности и поляризации света посредством акустического возмущения мультистабильных микрорезонаторных экситон-поляритонных систем

А.А. Деменев, С.С. Гаврилов, В.Д. Кулаковский (с соавторами)

Встроенные коммутационные устройства являются основой сверхбыстрой обработки оптических сигналов. В работе исследована возможность реализации сверхбыстрых переключателей сигнала на основе мультистабильных экситон-поляритонных конденсатов в планарных микрорезонаторах, возбуждаемых резонансно чуть выше энергии поляритона. Исследования переключения стационарных состояний поляритонного конденсата проводились на структурах из высокодобротных микрорезонаторов на основе GaAs/AlAs с квантовыми ямами InGaAs в активной области. Субтерагерцовая акустическая модуляция поляритоннго резонанса была получена путем инжекции в резонатор пикосекундных импульсов деформации, генерируемых на тыльной стороне подложки фиолетовыми импульсами длительностью 200 фс. Экспериментально продемонстрировано, что пикосекундные импульсы акустической деформации могут быть использованы для управляемого сверхбыстрого (~100 пс) переключения как между стационарными состояниями в резонансно возбужденном циркулярно-поляризованном конденсате, с переключением интенсивности излучения более, чем на порядок, так и между ветвями с различной поляризациями в эллиптически поляризованном конденсате с изменением величины циркулярно-поляризованной компоненты в несколько раз.

Рис. (а) Временные профили степени циркулярной поляризации в эллиптически поляризованном луче в отсутствие (черная пунктирная кривая) и при возбуждении фемтосекундным импульсом с W = 0,8 мДж/см2 (красная сплошная кривая).
(б) и (с) Интенсивности право- (σ⁺) и лево- (σ^-) поляризованных компонент (красные сплошные и черные пунктирные кривые, соответственно), измеренные при резонансном возбуждении поляритонов эллиптически поляризованным светом с P=150кВт/см² в отсутствии (с) и при возбуждении фиолетовым фемтосекундным импульсом с W = 0,8 мДж/см² (б).
Стрелка указывает время возбуждения квантовых ям акустическим импульсом
Временное разрешение в измерениях - 2 нс.

Публикация: Demenev, A.A. Ultrafast All-Optical Polarization Switch Controlled by Optically Excited Picosecond Acoustic Perturbation of Exciton Resonance in Planar Microcavities / A.A. Demenev, D.D. Yaremkevich, A.V. Scherbakov, S.S. Gavrilov, D.R. Yakovlev, V.D. Kulakovskii, M. Bayer // Physical Review Applied. – 2022. – Vol. 18, Iss. 4. – P. 44045. – DOI:10.1103/PhysRevApplied.18.044045

Грант РНФ 21-12-00368

Физические науки, направление 1.3.2. «Физика конденсированных сред и физическое материаловедение»

4. Визуализация со сверхвысоким разрешением при помощи расходящегося жгута оптических волокон с высоким показателем преломления

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

Жгуты оптических волокон могут быть использованы для получения изображений с разрешением, превышающим дифракционный предел Аббе. В качестве основы для жгута используются сапфировые волокна диаметром 300 мкм, которые обеспечивают очень хорошую локализацию ТГц излучения в сердцевине волокна за счет высокого показателя преломления в ТГц диапазоне и, следовательно, высокое разрешение изображения. Нами разработан, изготовлен и охарактеризован жгут расходящихся сапфировых волокон для проведения визуализации с субволнововым разрешением. Волокна расходятся из плоскости объекта (передняя плоскость жгута) и, таким образом, растягивают захваченное ближнее поле, после чего оно считывается из плоскости изображения с помощью обычной дифракционно-ограниченной оптики. Жгут расходящихся волокон был исследован вначале численно, а затем создан и исследован экспериментально на частоте 0.33 ТГц. Подтверждено, что такой жгут обладает разрешением, превышающим предел Аббе (среднее значение составляет 0.35 λ, где λ=917 мкм).

Схема проведения ближнепольной визуализации при помощи расходящегося жгута волокон (а); осевое сечение конусообразного жгута с геометрическими размерами (б).

Публикация: Katyba, G.M. Superresolution Imaging Using a Tapered Bundle of High-Refractive-Index Optical Fibers / G.M. Katyba, M. Skorobogatiy, D.G. Melikyants, N.V. Chernomyrdin, A.N. Perov, E.V. Yakovlev, I.N. Dolganova, I.E. Spektor, V.V. Tuchin, V.N. Kurlov, K.I. Zaytsev // Physical Review Applied. – 2022. – Vol. 18, Iss. 3. – P. 34069. – DOI:10.1103/PhysRevApplied.18.034069

Грант РНФ 22-72-10033

Физические науки, направление 1.3.5. «Оптика и лазерная физика»

5. Эффект магнитной памяти в планарных микромостиках ферромагнетик/сверхпроводник/ферромагнетик

Л.Н. Карелина, Н.С. Шуравин, А.С. Ионин, С.В. Егоров, В.В. Больгинов, В.В. Рязанов (с соавторами)

Исследован эффект отрицательного магнитосопротивления R(H) в трехслойном FSF микромостике на основе сверхпроводящего ниобия (S) и слабоферромагнитного (F) сплава Pd_0.99Fe_0.01. Кривые перемагничивания R(H) в области конца температурного перехода микромостика в сверхпроводящее состояние показывают резкие минимумы сопротивления S-слоя («низкорезистивное состояние») при противоположных направлениях намагниченности F-слоев. Обнаружено, что это низкорезистивное состояние обладает эффектом памяти, т.е. значение R_min(H_min), фактически, не меняется в некотором интервале полей ниже H_min, как это представлено на Рис.1. На нисходящем (черном) участке петли также виден небольшой подъем магнитосопротивления, связанный со спин-триплетной сверхпроводимостью при неколлинеарных направлениях намагниченности F-слоев, когда «спин-триплетные» сверхпроводящие носители могут уходить далеко в F-слой (подавляя сверхпроводимость S-слоя). На Рис.2 продемонстрировано использование обнаруженного эффекта в качестве элемента памяти, меняющего свое «цифровое» состояние под действием импульсов слабого магнитного поля.


Рис.1.	Рис.2.

Рис.1. Частная петля магнетосопротивления FSF микромостика. Стрелками показано направление развертки магнитного поля. Красным цветом изображен участок «эффекта памяти» низкорезистивного состояния. Пунктиром показана полная петля магнетосопротивления.

Рис.2. a) Цифровые состояния «0» и «1» отмечены красными точками на петле гистерезиса. (b) Временная диаграмма напряжения на FSF-микромостике (верхняя кривая), иллюстрирующая его переключение между цифровыми состояниями под действием импульсов магнитного поля (нижняя кривая).

Публикация: Карелина, Л.Н. Эффект магнитной памяти в планарных микромостиках ферромагнетик/сверхпроводник/ферромагнетик на основе сильно разбавленного сплава PdFe / Л.Н. Карелина, Н.С. Шуравин, А.С. Ионин, С.В. Бакурский, С.В. Егоров, И.А. Головчанский, В.И. Чичков, В.В. Больгинов, В.В. Рязанов // Письма в ЖЭТФ. – 2022. – Т. 116, № 2. – С. 108–115. – DOI:10.31857/S1234567822140075

Грант РФФИ № 19-32-90162

Физические науки, направление 1.3.2. «Физика конденсированных сред и физическое материаловедение»

6. Разработка промышленной технологии изготовления трехслойных мембран и несущих анодных подложек для высокоэффективных твердооксидных топливных элементов

Е.А. Агаркова, Д.А. Агарков, И.Н. Бурмистров, И.Е. Курицына, Д.В. Яловенко, С.И. Бредихин

В результате комплексных исследований ионной проводимости, механических характеристик и особенностей формирования многослойных газоплотных мембран на основе анионного проводника стабилизированного ZrO₂ разработана и внедрена промышленная технология изготовления трехслойных мембран с составом 6ScSZ|10Sc1YSZ|6ScSZ размером 100х100 мм и толщиной 150 мкм для высокоэффективных ТОТЭ первого поколения. В мае 2022 года по Техническим условиям ТУ 23.44.12.190-193-30742093-2022 на предприятии АО «НЭВЗ-КЕРАМИКС» (г. Новосибирск) начато промышленное производство трехслойных мембран, являющихся основой ТОТЭ на несущем электролите (Рисунок 1).

С целью разработки промышленной технологии изготовления двухслойных анодных подложек для ТОТЭ на несущем аноде изучены процессы переноса заряда, протекание окислительно-восстановительных реакций и механические характеристики анодов ТОТЭ [1-2]. Создана промышленная технология изготовления на оборудовании АО «НЭВЗ-КЕРАМИКС» двухслойных анодных подложек для ТОТЭ второго поколения (Рисунок 2).

Рисунок 1 Трехслойные мембраны анионного проводника 6ScSZ|10Sc1YSZ|6ScSZ размером 100х100 мм и толщиной 150 мкм

Рисунок 2 Двухслойные анодные подложки для ТОТЭ второго поколения, изготовленные на оборудовании АО «НЭВЗ-КЕРАМИКС»

Публикации:

Agarkova, E.A. Tape Casting of Bilayered Anode Supports and Electrochemical Performance of SOFCs Based on Them / E.A. Agarkova, O.Yu. Zadorozhnaya, I.N. Burmistrov, D.A. Agarkov, A.A. Solov’ev, A.V. Shipilova, M.N. Levin, Yu.K. Nepochatov, S.I. Bredikhin // Russian Journal of Electrochemistry. – 2022. – Vol. 58, Iss. 2. – P. 114–121. – DOI:10.1134/S1023193522020033
Solovyev, A.A. Influence of Deposition Modes and Thermal Annealing on Residual Stresses in Magnetron-Sputtered YSZ Membranes / A.A. Solovyev, S.V. Rabotkin, A.V Shipilova, D.A. Agarkov, I.N. Burmistrov, A.N. Shmakov // Membranes. – 2022. – Vol. 13, Iss. 2. – P. 346. – DOI:10.3390/membranes12030346

Тема ГЗ: «Физика, технология и инженерия дефектов материалов для альтернативных источников энергии, фотовольтаники и сенсорики»

Физические науки, направление 1.3.2. «Физика конденсированных сред и физическое материаловедение»

7. Модификация графена на пластинах β-SiC/Si(001) молекулами феназинового красителя Нейтральный красный

А.Н. Чайка, В.Ю. Аристов (с соавторами)

Атомная и электронная структура графена на пластинах β-SiC/Si(001), модифицированного молекулами феназинового красителя Нейтральный красный, исследована с помощью электронной спектроскопии, теории функционала плотности, сканирующей туннельной микроскопии (СТМ) и спектроскопии (СТС). С помощью СТМ показано, что молекулы красителя формируют локально-упорядоченные структуры на небольших участках поверхности, в которых они ориентированы параллельно или перпендикулярно слоям графена. В первом случае молекулы образуют димерные структуры, а во втором – структуры с прямоугольной или косоугольной элементарной ячейкой. Установлено, что модификация верхнего слоя графена приводит к появлению запрещенной зоны, превышающей 1 эВ, что позволяет рассматривать синтезированный слоистый композит как низкоразмерную гетероструктуру типа металл/полупроводник. Показано, что локальные изменения ширины запрещенной зоны на поверхности могут быть связаны с деформациями молекул в композитной структуре.

Рис. (a,b,e) СТМ-изображения системы графен/SiC(001) до (а) и после (b,e) модификации молекулами феназинового красителя. (c,d,f) Схематическое расположение молекул на поверхности графена, ориентированных перпендикулярно (c,d) и параллельно (f) поверхности. (g) Экспериментальные СТС-спектры, измеренные на различных участках поверхности. (h) Расчетная плотность электронных состояний молекул на поверхности графена в зависимости от сжатия молекул (0-15%).

Публикация: Potorochin, D.V. Surface functionalization of few-layer graphene on β-SiC(001) by Neutral Red dye / D.V. Potorochin, A.N. Chaika, O.V. Molodtsova, V.Yu. Aristov, D.E. Marchenko, D.A. Smirnov, A.A. Makarova, B. Walls, K. Zhussupbekov, K. Walshe, I.V. Shvets, A.S. Ciobanu, M.K. Rabchinskii, N.V. Ulin, M.V. Baidakova, P.N. Brunkov, S.L. Molodtsov // Applied Surface Science. – 2022. – Vol. 585. – P. 152542. – DOI:10.1016/j.apsusc.2022.152542

Физические науки, направление 1.3.2. «Физика конденсированных сред и физическое материаловедение»

8. Разработка конструкции и технологических основ твердооксидных топливных элементов с металлическими опорными слоями и монополярной коммутацией

М.Н. Левин, И.Н. Бурмистров, А.У. Шарафутдинов, И.С. Ерилин (с соавторами)

Сущность. Разработаны концепция, конструкции и технология твердооксидных топливных элементов (ТОТЭ) на металл-поддерживающих слоях с монополярной коммутацией (Metal-Supported Monopolar Solid Oxide Fuel Cells – MMS-SOFC).

Новизна. Существенно упрощен технологический процесс изготовления ТОТЭ за счет сокращения числа технологических операций и промежуточных термообработок, в результате использования ударного аэрозольного нанесения анода на несущую пористую стальную подложку, магнетронного осаждения электролита и трафаретной печати катода с однократным финальным отжигом. Предложены новые конструкции с монополярной коммутацией, обеспечивающие существенное повышение гравиметрической и объемной плотностей мощности блоков ТОТЭ на металл-поддерживающих слоях.

Значимость. Предложенная технология является основой для массового производства ТОТЭ на опорных металлических слоях, а предложенные конструкции блоков ТОТЭ с монополярной коммутацией позволяют использовать их для разработки мобильных электрохимических генераторов как для управляемого наземного транспорта, так для беспилотных летательных и подводных аппаратов.

Рис.1. Структура поперечного скола слоев мембранно-электродного блока (МЭБ) ТОТЭ на несущем металле.

Рис.2. Электрохимические характеристики ТОТЭ на несущем металле.

Публикации:

Erilin, I.S. Aerosol deposition of anode functional layer for metal-supported solid oxide fuel cells / I.S. Erilin, I.N. Burmistrov, D.A. Agarkov, E.A. Agarkova, D.V. Yalovenko, A.A. Solovyev, S.V. Rabotkin, V.E. Pukha, N.V. Lyskov, S.I. Bredikhin // Materials Letters. – 2022. – Vol. 306, Iss. 1. – P. 130924. – DOI:10.1016/j.matlet.2021.130924
Патент РФ 212913 (12.08.2022) «Блок твердооксидных топливных элементов планарной геометрии с центрально-осевым участком склейки». И.Н. Бурмистров, И.С. Ерилин, М.Н. Левин, С.И. Бредихин.

Х/Д №1316-22 с ООО «Инновационные энергетические системы» (ООО «ИНЭСИС») ГК «ЭФКО»

Физические науки, направление 1.3.2. «Физика конденсированных сред и физическое материаловедение»

9. Поверхностное натяжение расплава теллурида цинка-кадмия

Г.В. Кузнецов, Е.Б. Борисенко, Н.Н. Колесников

Впервые экспериментально определена зависимость поверхностного натяжения расплава тройного халькогенида металла Cd_0,9Zn_0,1Te от давления аргона [1]. Измерения проводили сталагмометрическим методом с применением разработанного в ИФТТ РАН сталагмометра [2].

Показано, что полученная зависимость, графически представленная на рисунке, подчиняется уравнению Шишковского

γ = γ₀ - a ln(bP + 1),

где γ₀ - поверхностное натяжение при отсутствии аргона над поверхностью расплава, а и b – константы.

Рис. Зависимость поверхностного натяжения расплава Cd_0,9Zn_0,1Te от давления Ar.
■ – экспериментальные данные, кривая - расчет по уравнению Шишковского с учетом экспериментально определенных значений коэффициентов, представленных в таблице.

Таблица. Коэффициенты уравнения Шишковского

γ₀, мН/м	a, мН/м	b × 10⁶, м²/Н
276.8	70.7	1.75

Наличие данных о коэффициентах уравнения Шишковского позволило определить константу адсорбции аргона, равную 2,74·10⁶ см³/моль (в предположении, что раствор аргона в расплаве является совершенным).

Полученные результаты принципиально важны при выращивании кристаллов Cd_0,9Zn_0,1Te для применения в полупроводниковых детекторах ионизирующих излучений.

Публикация: Kuznetsov, G. Surface tension of Cd0.9Zn0.1Te melt / G. Kuznetsov, E. Borisenko, N. Kolesnikov // Materials Letters. – 2022. – Vol. 317. – P. 132093. – DOI:10.1016/j.matlet.2022.132093

Тема ГЗ: «Физика и технологии новых материалов и перспективных структур»

Физические науки, направление 1.3.2. «Физика конденсированных сред и физическое материаловедение»

10. Способ получения высокотемпературного материала на основе карбида кремния и силицида молибдена

Шикунов С.Л., Каледин А.В., Курлов В.Н.

Разработан метод получения керамического композиционного материала на основе карбида кремния и силицида молибдена. В основе разработки лежит способ получения многофункциональной карбидокремниевой керамики [Шикунов С.Л., Курлов В.Н., Шикунова И.А. Патент РФ № 2573146.], который основан на взаимодействии расплава кремния с углеродом, находящимся в заранее скомпонованной заготовке определенного состава и пористости. На этапе подготовки композиции из углеродных порошков различных фракций и коксующегося связующего в состав шихты добавляется порошок молибдена. После перемешивания и прессования/формования углеродно-металлической заготовки частицы молибдена равномерно распределяются по её объему. При пропитке расплавом кремния (силицировании) кремний реагирует как с углеродом заготовки образуя пространственный SiC каркас, так и с частицами молибдена, образуя силицид. Полученный по разработанному методу керамический композиционный материал со связным SiC каркасом и интегрированным в него силицидом молибдена, имеет повышенную прочность и сопротивление ползучести при высоких температурах и нагрузках.

Тема ГЗ: «Физика и технологии новых материалов и перспективных структур»

Физические науки, направление 1.3.2. «Физика конденсированных сред и физическое материаловедение»

11. Новое поколение жаропрочных сплавов

Карпов М.И.

В Институте физики твердого тела РАН создана новая группа жаропрочных сплавов для применения в области температур выше 1200°С. Структурно новые материалы представляют собой естественные композиты, в которых роль матрицы выполняют твердые растворы на основе молибдена, а упрочняющих фаз – тугоплавкие карбиды. Опытные партии новых материалов изготавливаются на экспериментальной технологической базе ИФТТ РАН. Проведенные высокотемпературные механические испытания новых сплавов показали их возможность выдерживать высокие нагрузки при температурах 1200° и выше в течение нескольких тысяч часов.

Тема ГЗ: «Физика и технологии новых материалов и перспективных структур»

Физические науки, направление 1.3.2. «Физика конденсированных сред и физическое материаловедение»

12. Деформационное легирование конструкционных, электронных и оптических компонентов

Классен Н.В., Цебрук И.С., Винокуров С.А., Кобелев Н.П., Колыванов Е.Л.

Деформационное легирование твердотельных изделий принципиально отличается от известных ранее термодиффузии, лазерной и плазменной обработок, ионного имплантирования. Ее существо состоит в динамическом деформировании приповерхностного слоя с одновременным нанесением на обрабатываемую поверхность легирующего вещества. Деформирование производится шариковой и роликовой обкаткой или скольжением твердого индентора. Преимущества этого метода следующие: 1) Он не требует специальных условий типа повышенной температуры, вакуума или особой атмосферы. Процесс может производиться непосредственно по месту службы конструкций в полевых и даже подводных условиях. 2) Скорость и глубина легирования составляют сотни микрон за десятки минут, что существенно лучше, чем у термодиффузии или имплантирования. 3) Подбором параметров деформирования можно не только регулировать глубину и скорость легирования. но и формировать периодические сверхструктуры, что открывает новые возможности для оптики и электроники. 4). Деформационным легированием достигается проблематичное для других методов внедрение мягких полимеров для формирования принципиально новых свойств.

Рис. Оптическая микроскопия сверхструктур углерода, внедеренного шариковой обкаткой в монокристалл иодида цезия, являющегося удобной отпически прозрачной моделью кристаллических материалов. Слева – внедрение углеродных микрочастиц. Справа – внедрение углеродной нанопены. Продолжительность обкатки – 20 минут.

Тема ГЗ: «Когерентные состояния, динамика и фазовые превращения в жидких и твердых телах»

Физические науки, направление 1.3.2. «Физика конденсированных сред и физическое материаловедение»

13. Интерфейсная сверхпроводимость в дираковских полуметаллах

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

При милликельвиновых температурах, с помощью исследования Андреевского отражения, мы показали возникновение сверхпроводимости на интерфейсе между нормальным металлом (золотом) и топологическим дираковским полуметаллом. В качестве последнего выступали Cd3As2 как наиболее изученный дираковский полуметалл, так и новое соединение NiTe2, приобретающее популярность в последнее время. Оба соединения не являются сверхпроводящими в объёме в условиях эксперимента, как и планарный золотой контакт. Мы продемонстрировали, что возникновение интерфейсной сверхпроводимости является универсальным и не зависит от конкретных реализаций контакта нормальный электрод-дираковский полуметалл. Эти данные позволяют нам утверждать о возникновении поверхностной сверхпроводимости на границе нормальный металл-дираковский полуметалл в силу образования плоской зоны в спектре, что было предсказано теоретически. Поскольку образование плоской зоны тесно связано с формированием поверхностных состояний в дираковских полуметаллах, мы подтвердили наше утверждение прямым наблюдением диодного эффекта для джозефсоновского тока, который связан со сдвигом импульса в топологическом поверхностном состоянии при приложении магнитного поля в плоскости образца.

Публикация: Esin, V.D. Interface Superconductivity in a Dirac Semimetal NiTe₂/ V.D. Esin, O.O. Shvetsov, A.V. Timonina, N.N. Kolesnikov, E.V. Deviatov // Nanomaterials 2022, 12(23), 4114; https://doi.org/10.3390/nano12234114

Грант РНФ

Физические науки, направление 1.3.2. «Физика конденсированных сред и физическое материаловедение»

14. Управление направлением ферроэлектрической поляризации в гетероструктуре WTe₂/SnSe при помощи протекающего тока

Н.Н. Орлова, А.В. Тимонина, Н.Н. Колесников, Э.В. Девятов

Мы экспериментально показали возможность управления ферроэлектрической поляризацией при протекании тока через интерфейс между тонкими слоями двух проводящих ферроэлектриков SnSe и WTe₂, что может быть использовано для создания сверхбыстных переключателей и новых элементов памяти.

Для этой цели мы изготовили гетероструктуру SnSe/WTe₂ при этом вейлевский полуметалл WTe₂ является полярным металлом с ферроэлектрической поляризацией, направленной перпендикулярно слоям WTe₂, в то время как SnSe имеет поляризацию в плоскости слоёв. Было показано симметричное падение дифференциальной проводимости к нулевому значению при некотором пороговом значении приложенного напряжения, что соответствует повороту ферроэлектрической поляризации на 90 градусов вблизи интерфейса в изначально поляризованном в плоскости слое SnSe. Показана возможность управления этим пороговым напряжением при приложении малых значений затворного напряжения к структуре. Так же продемонстрирован возвратный переход в низкопроводящее состояние структуры при резком изменении величины напряжения смещения даже для напряжений значительно ниже порогового, что позволяет реализовать эффект сверхбыстрых переключений в такой структуре.

Публикация: Orlova, N.N. Current-induced control of the polarization state in a polar-metal–based heterostructure SnSe/WTe2 / N.N. Orlova, A.V. Timonina, N.N. Kolesnikov, E.V. Deviatov // Europhysics Letters. – 2022. – Vol. 138, Iss. 2. – P. 26002. – DOI:>10.1209/0295-5075/ac63dd

Грант РНФ

Физические науки, направление 1.3.2. «Физика конденсированных сред и физическое материаловедение»

15. Сапфировый аппликатор для криохирургии с функцией оптического мониторинга состояния ткани

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

Разработан сапфировый аппликатор для проведения поверхностной криодеструкции биологических тканей, позволяющий восстанавливать толщину замороженного слоя ткани. Функция мониторинга толщины замороженного слоя реализована с помощью волоконно-оптической оснастки, совмещенной с корпусом аппликатора, и основана на регистрации диффузно рассеянного излучения видимого диапазона. Используется четыре волоконных канала подсветки ткани, расположенных на различном удалении от одного канала детектирования. Экспериментальная апробация аппликатора, проведенная с использованием тестового образца, продемонстрировала возможность восстановления толщины замороженного слоя до 10 мм. Разработанный аппликатор позволяет повысить эффективность проведения криохирургического лечения, поскольку не требует применения дополнительных методов и инструментов визуализации для оценки движения ледяного фронта в ткани.

Рис. а) Схема сапфирового криоаппликатора; б) фотография контактного торца; в) результат восстановления толщины замороженного слоя тестового образца в сравнении с непосредственным измерением толщины слоя.

Публикация: I.N. Dolganova, A.K. Zotov, L.P. Safonova, P.V. Aleksandrova, I.V. Reshetov, K.I. Zaytsev, V.V. Tuchin, V.N. Kurlov. “Feasibility test of a sapphire cryoprobe with optical monitoring of tissue freezing,” Journal of Biophotonics, accepted November, 22, 2022.

Грант РНФ 19-79-10212

Физические науки, направление 1.3.5. «Оптика и лазерная физика»

16. Твердые растворы водорода с симметричным куполом расслоения

В.Д. Музалевский, Н.С. Орлов (с соавторами)

Показано, что T-x проекция купола расслоения в твердых растворах внедрения MeH_x будет симметричной, а зависимость давления этого изоморфного фазового превращения от температуры будет определяться реакцией Me + (z/2)H₂ = MeH_z с фиксированным значением z, которое достигается при T → 0 K, если энергия Гиббса смешения растворов является симметричной двухъямной функцией содержания водорода с максимумом при z/2. Сведение задачи о термодинамическом равновесии между фазами переменного состава к задаче с фазами постоянного состава и использование литературных данных для чистого металла Me и гидрида MeH_z позволило установить, что именно симметричность купола расслоения (Рис. A) является достаточным условием линейности экспериментальных зависимостей стандартной энергии Гиббса ΔG⁰(T) для изоморфного превращения в системах Pd-H и Pd-D (z = 0.63, Рис. B) и в системах Ni-H и Ni-D (z = 1) во всем исследованном интервале температур вплоть до критической точки (на Рис. B критические точки показаны звездочками). Причину линейности зависимости ΔG⁰(T) для образования гидрида палладия не удавалось найти в течение нескольких десятков лет.

Публикация: Antonov, V.E. Solid metal-hydrogen solutions with a symmetric miscibility gap / V.E. Antonov, V.D. Muzalevsky, N.S. Orlov // International Journal of Hydrogen Energy. – 2022. – Vol. 47. – P. 15198–15208. – DOI:10.1016/j.ijhydene.2022.03.034

Тема ГЗ: «Когерентные состояния, динамика и фазовые превращения в жидких и твердых телах»

Физические науки, направление 1.3.2. «Физика конденсированных сред и физическое материаловедение»

17. Инжекционный полупроводниковый лазер циркулярно поляризованного излучения на основе хирального микрорезонатора

A.A. Maксимов, E.В. Филатов, И.И. Тартаковский, В.Д. Кулаковский (с соавторами)

Разработка хиральных оптических микрорезонаторов является центральной концепцией современной нанофотоники, позволяющей получить полный контроль над поляризацией ограниченных электромагнитных мод. В работе впервые продемонстрирована реализация компактного источника когерентного излучения на основе хирального полупроводникового микрорезонатора с электрической накачкой (поверхностно-излучающий микролазер с вертикальным резонатором (VCSEL)– Vertical-cavity surface-emitting laser). Устройство состоит из AlAs/(Al,Ga)As микрорезонатора, содержащего несколько GaAs квантовых ям в активной области, и пластины хирального фотонного кристалла, вытравленной в верхнем распределенном брэгговском отражателе (рис. 1).

Рисунок 1

Рисунок 2

Структура обеспечивает лазерную генерацию с узким спектральным и угловым распределением излучения при инжекции электрического тока в ближней инфракрасной области спектра (ω ~ 1.565 эВ) и степени круговой поляризации, превышающей в некоторых модах величину 90 % (рис. 2). Знак круговой поляризации лазерной генерации контролируется направлением “закрученности” хиральной фотонно-кристаллической пластины и меняется на противоположный в зеркально-симметричной структуре. Обычный способ получения циркулярно поляризованного излучения с использованием четвертьволновых пластин из двулучепреломляющих материалов не отвечают требованием компактности и совместимости с полупроводниковыми технологиями изготовления элементов и схем нанофотоники. Наши результаты представляют собой важный шаг к практической реализации компактных источников света с круговой поляризацией без приложения внешнего магнитного поля или использования спин-поляризованной накачки.

Публикация: Maksimov, A.A. Circularly Polarized Laser Emission from an Electrically Pumped Chiral Microcavity / A.A. Maksimov, E.V. Filatov, I.I. Tartakovskii, V.D. Kulakovskii, S.G. Tikhodeev, C. Schneider, S. Höfling // Physical Review Applied. – 2022. – Vol. 17, Iss. 2. – P. L021001. – DOI:10.1103/PhysRevApplied.17.L021001

Тема ГЗ: «Коллективные явления в электронных и экситонных системах в наноструктурах»

Физические науки, направление 1.3.2. «Физика конденсированных сред и физическое материаловедение»

18. Трансформация гибридных частиц типа “ядро-оболочка” ПММА-SiO₂ в полые частицы SiO₂

Н.С. Сухинина, В.М. Масалов, Т.Н. Фурсова, И.И. Ходос, И.И. Зверькова, А.А. Жохов, Г.А. Емельченко

На основе разработанной оригинальной методики синтезированы гибридные частицы «ядро-оболочка» ПММА-SiO₂ и полые частицы SiO₂. Методика позволяет получать полые частицы диоксида кремния субмикронных размеров заданного диаметра в диапазоне 100-1000 нм с точностью до 10 нм и толщиной оболочки 5-100 нм с точностью ± 2 нм (Рис. 1). Методами электронной микроскопии, ИК-спектроскопии и рентгеновской дифракции исследованы изменения морфологии и структуры частиц типа ядро-оболочка ПММА-SiO₂ при трансформации их в полые частицы SiO₂ в процессе термообработки [1]. Результаты исследований могут быть использованы при разработках: белого пигмента для замены TiO₂ в продуктах питания и лекарственных средствах, наноконтейнеров для адресной доставки лекарств и новых эффективных катализаторов, новых композиционных материалов с повышенной термостойкостью, пониженными плотностью и теплопроводностью, систем хранения водорода в молекулярной форме и для решения других актуальных задач материаловедения.

Рис. СЭМ-изображения сферических частиц ПММА (440 ± 21 нм) (а), полученных на их основе частиц «ядро-оболочка» ПММА-SiO₂ (505 ± 18 нм) (б), ПЭМ-изображение полых частиц SiO₂(в).

Публикация: Sukhinina, N.S. Heat-Mediated Transformation of PMMA-SiO2 Core-Shell Particles into Hollow SiO2 Particles / N.S. Sukhinina, V.M. Masalov, T.N. Fursova, I.I. Khodos, I.I. Zverkova, A.A. Zhokhov, G.A. Emelchenko // Crystals. – 2022. – Vol. 12, Iss. 7. – P. 883. – DOI:10.3390/cryst12070883

Тема ГЗ: «Физика и технологии новых материалов и перспективных структур»

Физические науки, направление 1.3.2. «Физика конденсированных сред и физическое материаловедение»

19. Пайерлсовская неустойчивость решетки Либа

М.И. Рыжкин, А.А. Левченко, И.А. Рыжкин

Впервые показано, что двумерная решетка Либа или квадратная решетка с центрированными ребрами неустойчива относительно определенным образом коррелированных смещений реберных атомов вдоль связей от центра. Причина неустойчивости в понижении электронной энергии в результате таких смещений. При слабой неустойчивости, когда понижение электронной энергии не превышает возрастания ионной энергии решетки, возникают ангармонические фононы и мягкие фононные моды. При сильной неустойчивости, когда понижение электронной энергии превышает возрастание энергии ионной решетки, потенциал реберного атома на связи становится двухямным, возможно туннелирование реберных атомов вдоль ребер, и возникают новые возбуждения квантовые туннельные моды. Результаты непосредственно обобщаются для трехмерных решеток с реберно центрированными связями, например, для решетки перовскита и для решеток с водородной связью, и найдут широкое применение от проблемы высокотемпературных сверхпроводников и проблемы быстрого протонного транспорта, до различных физических процессов в биологических соединениях

Публикация: Рыжкин, М.И. Пайерлсовская неустойчивость решетки Либа / М.И. Рыжкин, А.А. Левченко, И.А. Рыжкин // Письма в Журнал Экспериментальной и Теоретической Физики. – 2022. – Т. 116, № 5. – С. 300–306. – DOI:10.31857/S1234567822170062

Грант РНФ 22-22-00005

Физические науки, направление 1.3.2. «Физика конденсированных сред и физическое материаловедение»

20. Новый механизм утоньшения свободно подвешенных смектических наноплёнок

П.В. Долганов, В.К. Долганов (с соавторами)

Обнаружен новый механизм утоньшения свободно подвешенных наноплёнок смектических жидких кристаллов выше температуры плавления объемного образца. Эффект утоньшения свободно подвешенных наноплёнок был открыт американской группой в 1994 году (Stoebe et al., Phys. Rev. Lett., 1994) и впоследствии интенсивно исследовался экспериментально и теоретически. Нами обнаружено, что переход утоньшения может быть связан не только с неустойчивостью самой плёнки, как считалось ранее, но и с неустойчивостью участка, где плёнка соединяется с объёмным образцом (традиционно называемой мениском по аналогии с жидкостью). Показано, что вблизи переходов утоньшения может происходить существенное изменение размера и формы мениска (Рис. 1). В результате развития неустойчивости в мениске образуется участок меньшей толщины, что приводит к утоньшению всей плёнки. Утоньшение наноплёнок, связанное с неустойчивостью в мениске, ранее не наблюдалось и теоретически не предсказывалось.

Рис. 1. Развитие неустойчивости в мениске, приводящее к утоньшению наноплёнки. (a) Смектическая пленка (правая часть фото (a)) и ее мениск (левая часть фото (a)) вдали от температуры утоньшения. (b) Нагрев образца приводит к трансформации формы мениска вблизи контакта со смектической пленкой. (c) Образование плоского широкого участка в тонкой части мениска. (d) Мениск с плавным изменением толщины (интенсивность отражения света уменьшается при приближении к пленке). (e) Образование тонкого участка (темная область) приводит к утоньшению пленки. (f) Мениск и более тонкая нанопленка после перехода утоньшения. Продольный размер мениска после перехода уменьшился. Фотографии сделаны в отражённом свете.

Публикация: Долганов, П.В. Утоньшение смектических нанопленок, инициированное мениском / П.В. Долганов, В.К. Долганов, Е.И. Кац // Письма в Журнал Экспериментальной и Теоретической Физики. – 2022. – Т. 115, № 4. – С. 236–240. – DOI:10.31857/S1234567822040061

Тема ГЗ: «Когерентные состояния, динамика и фазовые превращения в жидких и твердых телах»

Физические науки, направление 1.3.2. «Физика конденсированных сред и физическое материаловедение»

21. Термическая устойчивость насыщенных твердых растворов водорода в кварцевом стекле при нормальном давлении.

В.С. Ефимченко, К.П. Мелетов

Использование метода комбинационного рассеяния света (КРС), впервые позволило изучить при нормальном давлении термическую устойчивость гидридов кварцевого стекла, содержащих от 0.58 до 0.7 молей H₂на 1 моль SiO_2. При температурах T=143÷190 К наблюдалось экспоненциальное необратимое уменьшение относительной интенсивности ротационных мод молекулы Н₂ от времени отжига, связанное с десорбцией водорода (левая панель рисунка 1). Постоянные времени полученные из данных зависимостей, уменьшаются с увеличением температуры, в соответствии с уравнением Аррениуса τ(Т)=A*exp(E_A/k_BT), где τ - постоянная времени экспоненциального распада, 1/k_BT - обратная температура отжига, E_A =(0.16±0.01) eV - энергия активации, A=(2.7±0.3)×10^-2 sec - постоянная времени, k_B - постоянная Больцмана (правая панель рисунка 1). Используя полученные данные, было определено, что содержание водорода в гидридах кварцевого стекла должно уменьшаться вдвое за 17 лет хранения при температуре жидкого азота или за 10 секунд при комнатной температуре. Нестабильность гидридов кварцевого стекла при комнатной температуре связана со слабым Ван-дер-Ваальсовым взаимодействием молекул водорода с атомами кремния и кислорода кварцевого стекла.

Внизу - спектр КРС гидрированного кварцевого стекла в разные промежутки времени. В правом верхнем углу – Изменение относительной интенсивности ротационной моды H₂ от времени.

Постоянные времени в координатах Аррениуса.

Публикация: Meletov, K.P. Stability of hydrogenated silica glass and desorption kinetics of molecular hydrogen / K.P. Meletov, V.S. Efimchenko // Chemical Physics Letters. – 2022. – Vol. 793. – P. 139477. – DOI:10.1016/j.cplett.2022.139477

Тема ГЗ: «Когерентные состояния, динамика и фазовые превращения в жидких и твердых телах»

Физические науки, направление 1.3.2. «Физика конденсированных сред и физическое материаловедение»

НАИБОЛЕЕ ЗНАЧИМЫЕ результаты, полученные в ИФТТ РАН в 2023

Утверждены на заседании Ученого совета ИФТТ РАН 04 декабря 2023 г.
(протокол № 26)

Разработка технологии плазменного напыления силицидных покрытий для защиты сплавов циркония от окисления

И.Б. Гнесин, Д.В. Прохоров, Н.И. Гнесина, Б.А. Гнесин, В.И. Внуков, М.И. Карпов, И.С. Желтякова, Т.С. Строганова(с соавторами)

В рамках фундаментальных поисковых работ в направлении создания устойчивого к авариям ядерного топлива была разработана лабораторная (масштабируемая) технология нанесения силицидных покрытий на сплавы циркония. В результате этой работы впервые на сплав на основе циркония (Э110) было успешно нанесено покрытие из силицидов молибдена методом атмосферного плазменного напыления. Покрытия на основе двойной эвтектики Mo₅Si₃ + MoSi₂ наносили на поверхность листов сплава Э110. Исследованы особенности структуры и фазового состава покрытий после нанесения, их эволюция в результате изотермических отжигов при температуре 1300°C. Исследована кинетика диффузионного взаимодействия покрытия и материала-основы. Экспериментально продемонстрирована возможность успешной защиты сплава циркония от окисления при 1100°C на воздухе с помощью всесторонне нанесенного покрытия из силицидов молибдена. Эффективность защиты от окисления данным покрытием материала-основы подтверждена испытаниями на жаростойкость.

Рис. 1. Внешний вид образцов после испытания на жаростойкость: полностью защищенного покрытием (а); частично защищенного покрытием (б); без покрытия (в).

Публикация: Гнесин, И.Б. Плазменное напыление силицидных покрытий для защиты сплавов циркония от окисления / И.Б. Гнесин, Д.В. Прохоров, Н.И. Гнесина, А.Н. Некрасов, Б.А. Гнесин, В.И. Внуков, М.И. Карпов, И.С. Желтякова, Т.С. Строганова // Поверхность. Рентгеновские, Синхротронные и Нейтронные Исследования. – 2023. – № 10. – С. 27–35. – DOI:10.31857/S1028096023100059

Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ и Госкорпорации “Росатом” в рамках научного проекта № 20-21-00137.

Технические науки, направления:

2.5.1. Энергетика и рациональное природопользование

2.5.1.5. Междисциплинарные проблемы атомной, термоядерной, водородной, космической и нетрадиционной энергетики

Разработка новых физических принципов для построения терагерцовых фазовращателей

К.Р. Джикирба,И.В. Кукушкин, В.М. Муравьев ( с соавторами)

Терагерцовый частотный диапазон (100 ГГц - 3 ТГц) остаётся одним из наименее освоенных диапазонов в шкале электромагнитного спектра и при этом этот диапазон частот обладает рядом отличительных свойств, делающих его освоение критически важным для целого ряда секторов гражданской и военной промышленности. Среди важнейших приложений субтерагерцовой электроники следует отметить создание фазированной антенной решетки (ФАР), в которой направление излучения можно быстро изменять с помощью приложенного напряжения. ФАРы сантиметрового диапазона длин волн сегодня широко применяются в радиолокации, наземно-космической связи, передовых системах спутникового интернета, в дистанционном зондировании земли и в радиовидении для систем безопасности. Более высокочастотные субтерагерцовыеФАРы также начинают находить различные гражданские и военные применения, например, возможности использования ФАР миллиметрового диапазона востребованы в беспроводных системах связи нового поколения 6G. Субтерагерцовый диапазон обеспечивает сегодня на порядок-два более высокое пространственное разрешение и скорость передачи данных радарам и системам наземно-космической связи.

В ИФТТ РАН был разработан и исследован новых механизм для построения компактных полупроводниковых фазовращателей. В этих системах используется релятивистский плазмонный эффект, который реализуется в двумерных электронных системах с высокой проводимостью. При этом используется важное свойство полупроводников – возможность перестраивать параметры системы, например, фазу прошедшего излучения, с помощью подачи напряжения на затвор микроструктуры. Важнейшим достоинством разработанной технологии является то, что он реализован на базе GaAs полупроводниковой технологии. Это позволяет легко масштабировать количество фазовращательных элементов на полупроводниковой пластине, создавая массивы любого размера. Такой подход особенно привлекателен для создания фазированных антенных решёток нового поколения.

Рис.1. Разработанная ФАР-система и ее характеристики: зависимости изменения фазы от напряжения на затворе и частоты.

Публикация: Dzhikirba, K.R. Demonstration of the plasmonic THz phase shifter at room temperature / K.R. Dzhikirba, A. Shuvaev, D. Khudaiberdiev, I.V. Kukushkin, V.M. Muravev // Applied Physics Letters. – 2023. – Vol. 123, Iss. 5. – P. 52104. – DOI:10.1063/5.0160612

Грант РНФ№ 19-72-30003

Физические науки, направление 1.3.2.5. Физика нано- и гетероструктур, мезоскопика.

Новый метод нанесения газоплотных защитных SiC покрытий

Шикунов С.Л., Каледин А.В., Шикунова И.А., Страумал Б.Б., Курлов В.Н.

Разработан новый метод нанесения газоплотных защитных покрытий из карбида кремния, основанный на прямом взаимодействии углерода, образующегося при высокотемпературном пиролитическом разложении молекул углеводорода с расплавом кремния, содержащимся в приповерхностном слое материала, на который наносится покрытие, и/или парами кремния, источником которого служит расплав кремния, размещенный в тепловой зоне печи. Экспериментально показана эффективная защита данным покрытием таких материалов как SiC-C-Si и SiC-C-MoSi₂ керамика, Рис. 1, углерод-углеродные композиционные материалы (УУКМ), Рис. 2, конструкционный графит, тугоплавкие металлы и металлические сплавы. Проведенные испытания показали высокую термоокислительную и термоударную стойкость, хорошую адгезию защитного покрытия к подложке.

Рис. 1. Структура керамического композиционного материала SiC-C-MoSi₂ с защитным SiC покрытием при различном увеличении.

Рис. 2. Структура УУКМ с защитным SiC покрытием при различном увеличении.

Публикация: Shikunov, S. Novel Method for Deposition of Gas-Tight SiC Coatings / S. Shikunov, A. Kaledin, I. Shikunova, B. Straumal, V. Kurlov // Coatings. – 2023. – Vol. 13, Iss. 2. – P. 354. – DOI:10.3390/coatings13020354

Тема ГЗ: «Физика и технологии новых материалов и перспективных структур, №122040600127-3»

Физические науки, направление 1.3.2.10. Физическое материаловедение и физика дефектов

Спиновый хаос экситонных поляритонов в магнитном поле

С.С. Гаврилов, Н.Н. Ипатов, В.Д. Кулаковский

Теоретически исследованы спиновые свойства экситонных поляритонов в резонаторном микростолбике, находящемся в постоянном магнитном поле и возбуждаемом резонансной световой волной. Благодаря эффекту Зеемана у нелинейной поляритонной системы существуют две ветви оптического отклика, характеризующиеся противоположными знаками циркулярной поляризации. Предсказан непрямой механизм инверсии поляризации, в соответствии с которым текущее состояние системы испытывает переход к динамическому хаосу, после чего альтернативное спиновое состояние устанавливается спонтанным образом. Такие спиновые переключения, опосредованные хаотической фазой, могут идти в обе стороны в окрестности одной и той же критической амплитуды возбуждения, при этом знак циркулярной поляризации излучения резонатора прямо определяется интенсивностью оптической накачки. Таким образом, предсказанный механизм позволяет реализовать управляемое двустороннее переключение поляризации излучения резонаторного микростолбика.

Публикация: Гаврилов, С.С. Спиновый хаос экситонных поляритонов в магнитном поле / C.C. Гаврилов, Н.Н. Ипатов, В.Д. Кулаковский // Письма в Журнал Экспериментальной и Теоретической Физики. – 2023. – Т. 118, № 9. – С. 649–655. – DOI:10.31857/S1234567823210048

Грант РНФ№23-22-00455

Физические науки, направления:

1.3.2.1. Развитие теории конденсированных сред

1.3.2.5. Физика нано- и гетероструктур, мезоскопика

Практическая реализация прототипов сверхпроводниковых нейронов

А.C. Ионин, H.C. Шуравин, Л.Н. Карелина, А.Н. Россоленко, М.С. Сидельников, С. В. Егоров, В.В. Больгинов (с соавторами)

Впервые изготовлены и исследованы прототипы сверхпроводниковых нейронов — одно- или двухконтактных интерферометров, часть контура которых шунтирована дополнительной индуктивностью (сигма-нейрон и гаусс-нейрон, соответственно). Образцы спроектированы в виде многослойных тонкоплёночных интерферометров, расположенных над толстым сверхпроводящим экраном, что обеспечивает условия, близкие к ранее предложенным теоретическим моделям. Для изготовления образцов использовался 8-стадийный технологический процесс, разработанный и внедрённый в лаборатории сверхпроводимости ИФТТ РАН. Предметом изучения была передаточная функция образца. Показано, что передаточные функции образцов, представляющие собой зависимость выходного магнитного потока от входного, в целом, соответствуют теоретическим предсказаниям, однако выявлен эффект прямой передачи входного сигнала в измерительную цепь из-за возникновения в экране кольцевых сверхтоков в качестве отклика на входной сигнал. Показано, что передаточная функция гаусс-нейрона может модифицироваться из-за взаимодействия с измерительной цепью. Полученные результаты подтверждают возможность реализации сверхпроводниковых нейронных сетей и указывают направление совершенствования сверхпроводниковых нейронов.

Рис. 1 Микрофотографии реализованных сигма- (а) и гаусс- (б) нейронов.

Публикации: 1. «Экспериментальное исследование прототипа сверхпроводящего сигма-нейрона для адиабатических нейронных сетей» А.С. Ионин, Н.С. Шуравин, Л.Н. Карелина, А.Н. Россоленко, М.С. Сидельников, С. В. Егоров, В.И. Чичков, М.В. Чичков, М.В. Жданова, А.Е. Щеголев, В. В. Больгинов, ЖЭТФ 164(6(12)), 1008 (2023).

2. «Экспериментальное исследование передаточной функции прототипа сверхпроводящего гаусс-нейрона» A.C.Ионин, Л.Н. Карелина, Н.С.Шуравин, М.С.Сидельников, Ф.А.Разоренов, С.В.Егоров, В.В.Больгинов. Письма в ЖЭТФ, том 118, вып. 10, с. 761 – 768 (2023)

Грант РНФ№23-72-00053

Физические науки, направление1.3.2.8. Квантовая макрофизика, Бозе-конденсаты, сверхпроводимость

Новые композиты углеволокно-титан

С.Т. Милейко, А.А. Колчин, И.Д. Петухов, Н.А. Прокопенко, В.Ю. Малышев

(Работа выполняется в кооперации с ЮМАТЕКС Росатома.)

Произведенное ЮМАТЕКС покрытие углеволокна медью позволило исследовательской группе ИФТТ РАН разработать новый способ получения композитов типа углеволокно-титан. В отличие от ранее разработанного ИФТТ способа получения угле-титанового композита, новый способ, во-первых, не требует специальной промежуточной матрицы для пропитки углеволокна (это существенно упрощает технологию); во-вторых, он не приводит к формированию карбида титана на поверхности волокна (это, в частности, следует из наблюдений микроструктуры композита – Рис. 1); в-третьих, как следствие второго, - прочность (до 1700 МПа) и модуль Юнга (до 200 ГПа) композита нового поколения приближают его по характеристикам к хорошей стали при плотности около 5 г/см³. Аналога такого типа конструкционных материалов не существует.

Рис. 1. Микроструктура армирующего слоя угле-титанового композита.

Применение композитов этого типа взамен металлических сплавов (титан, сталь) при должном развитии работ позволит существенно повысить характеристики самолётов и других летательных аппаратов, прежде всего, сверхзвуковых и гиперзвуковых, а также глубоководных аппаратов.

Публикации отсутствуют: способ патентуется.

Грант РНФ№23-19-00419

Физические науки, направление 1.3.2.10. Физическое материаловедение и физика дефектов

Технические науки, направление 2.3.2.11. Разработка методов синтезирования составных упругих конструкций минимальной массы с заданными виброакустическими и прочностными свойствами для ракетно-космической техники.

Синтез сверхпроводящего тригидрида циркония при высоком давлении водорода

В.Е. Антонов, В.И. Кулаков, В.Д. Музалевский, Н.С. Орлов, А.В. Пальниченко ( с соавторами)

ТригидридZrH₃ и, для сравнения, тридейтеридZrD₃ с гексагональной плотноупакованной (ГПУ) металлической решеткой были впервые синтезированы в ИФТТ РАН при давлении водорода/дейтерия 9 ГПа и температуре 873 К в твердосплавных камерах высокого давления типа «Тороид» с большим реакционным объемом. В отличие от большого числа новых гидридов, синтезированных за последние годы в алмазных наковальнях, образцы тригидрида и тридейтерида удалось сохранить и исследовать при атмосферном давлении. Было экспериментально установлено, что их составы близки к стехиометрическим ZrH₃ и ZrD₃, и что они переходят в сверхпроводящее состояние при T_c = 11.6 K и 9.5 K, соответственно (см. Рис. 1). Наличие нормального изотопного эффекта (более низкое значение T_c у соединения с более тяжелым изотопом водорода) отличает тригидрид циркония от всех известных ранее сверхпроводящих гидридов металлов с атомным отношением H/Me ≤ 3.75. Устоявшееся за последние 40 лет объяснение обратного изотопного эффекта в этих гидридах оказалось неверным [V.E. Antonov et al., J.Alloys Compd. 905 (2022) 164208]. Результаты для ГПУ тригидрида циркония показывают, что обратный изотопный эффект не является общим свойством гидридов с H/Me ≤ 3.75.

Рис. 1. Температурные зависимости магнитной восприимчивости χ = χ' – iχ'' на переменном токе в окрестности сверхпроводящего перехода в порошковых образцах ZrH₃ и ZrD₃ с частично сохранившимися несверхпроводящими фазами ZrH₂ и ZrD₂. Действительная часть χ' восприимчивости показана на верхней панели, мнимая часть χ'' – на нижней панели. Измерения проводились в переменном магнитном поле амплитудой 3.5 мЭ и частотой 1.5 кГц. Значение T_c определялось по характерному для сверхпроводников пику “сверхпоглощения” на зависимостях χ''(T).

Публикация: Kuzovnikov, M.A. Synthesisofsuperconducting hcp-ZrH3 underhighhydrogenpressure / M.A. Kuzovnikov, V.E. Antonov, V.I. Kulakov, V.D. Muzalevsky, N.S. Orlov, A.V. Palnichenko, Y.M. Shulga // PhysicalReviewMaterials. – 2023. – Vol. 7, Iss. 2. – P. 24803. – DOI:10.1103/PhysRevMaterials.7.024803

Тема ГЗ: «Когерентные состояния, динамика и фазовые превращения в жидких и твердых телах, № 122040600126-6»

Грант РФФИ№20-02-00638

Физические науки, направление 1.3.2.2. Структурные исследования конденсированных сред, связь структуры и свойств

Термостабильные концентрированные растворы молекулярного водорода в литий-силикатном стекле

В.С. Ефимченко, М. А. Короткова, К.П. Мелетов (с соавторами)

Для практического использования материалы для хранения водорода должны высвобождать поглощенный водород при температурах -10÷100 °С и давлениях, близких к нормальным. В данной работе, впервые экспериментально изучено влияние катионов лития на термическую устойчивость растворов водорода в стекле Li₂O·6SiO₂. Кинетику распада растворов, содержавших 0.39 и 0.25 молей молекулярного водорода исследовали методом рамановской спектроскопии при изотермическом отжиге и методом термодесорбции водорода. Определенное методом рамановской спектроскопии значение энергии активации Ea=(0.419±0.019) эВ/H₂ выхода водорода из приповерхностного слоя стекла оказалось выше, чем Ea=(0.16±0.02) эВ/Н₂, определенное ранее для раствора водорода в кварцевом стекле, что указывает на усиление взаимодействия между молекулами водорода и атомами стекла. Это приводит к большей постоянной времени распада τ=3220 секунд при комнатной температуре по сравнению с τ=3 секунд для растворов водорода в чистом кварцевом стекле. Методом термодесорбции показано, что слабая диффузия водорода в литий-силикатном стекле дополнительно увеличивает константу времени распада раствора до τ ≈ 16000 секунд при комнатной температуре.

Рисунок 1. (Левая панель) На вставке – спектр гидрированного литий-силикатного стекла в разные промежутки времени. На основном рисунке – изменение интенсивности и позиции вибронной линии H₂ от времени при температуре 308 К. (Правая панель) – Постоянные времени в координатах Аррениуса.

Публикация: Efimchenko, V.S. Thermally Stable Concentrated Solutions of Molecular Hydrogen in Bulk Lithium Silicate Glass / V.S. Efimchenko, M.A. Korotkova, K.P. Meletov, S. Buchner // Journal of Physical Chemistry C. – 2023. – Vol. 127, Iss. 28. – P. 13538–13546. – DOI:10.1021/acs.jpcc.3c02644

ГрантРНФ№23-23-00426

Физические науки, направление 1.3.2.10. Физическое материаловедение и физика дефектов

Метод получения монокристаллов ZnSe:Cr для активных и пассивных элементов лазеров ближнего ИК диапазона

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

Впервые предложен метод получения однородно легированных хромом монокристаллов ZnSe (рис. 1) с концентрацией Cr 10¹⁶-10²⁰ см^-3 для применения в оптике (рис. 2) лазеров ближнего ИК диапазона, используемых в дальномерной технике.

Рис. 1. Монокристалл ZnSe:Cr (6×10¹⁸ см^-3Cr), расколотый по (110) параллельно направлению роста

Рис. 2. Лазерная оптика из монокристаллического ZnSe>:Cr: пассивный модулятор (насыщаемый абсорбер типа SESAM) слева и активные лазерные элементы справа. Показаны полированные заготовки без покрытий.

Метод разработан на основе ранее созданного способа легирования кристаллов селенида цинка хромом [1] и включает в себя синтез лигатуры CrSe и выращивание монокристаллов вертикальной зонной плавкой под давлением инертного газа. Технологические параметры процесса выбраны по результатам экспериментального исследования эффективных коэффициентов распределения хрома в ZnSe при различных концентрациях легирующей добавки [2], выполненного впервые.

Созданный метод имеет значительные преимущества перед существующими способами получения ZnSe:Cr ионной имплантацией или диффузионным введением хрома в поликристаллы селенида цинка. Эти методики не обеспечивают однородного легирования по объему лазерных элементов, кроме того, предельные концентрации Cr как правило ниже. Разработанный в ИФТТ РАН метод позволяет выращивать монокристаллы с содержанием хрома до 10²⁰ см^-3, причем радиальное распределение Cr практически отсутствует. Это делает возможным изготовление однородно легированных изделий.

Публикации:

1. Борисенко Д.Н., Борисенко Е.Б., Денисенко Д.С., Колесников Н.Н., Тимонина А.В., Фурсова Т.Н., Хамидов А.М. Способ легирования кристаллов селенида цинка хромом. Патент РФ на изобретение № 2751059, опубл. 07.07.2021, Бюл. № 19.

2. Denisenko, D.S. Cr2＋distribution in ZnSe crystals grown from melt / D.S. Denisenko, A.V. Timonina, T.N. Fursova, N.N. Kolesnikov // Journal of Crystal Growth. – 2023. – Vol. 603. – P. 127037. – DOI:10.1016/j.jcrysgro.2022.127037

Тема ГЗ: «Физика и технологии новых материалов и перспективных структур, № 122040600127-3»

Физические науки, направление 1.3.5.6. Новые оптические материалы, оптические элементы фотоники, интегральная оптика, голография, нанофотоника, метаматериалы и метаповерхности.

Интерферометр Боголюбова в квантовом эффекте Холла

В.С. Храпай

Предложен новый тип электронного интерферометра в режиме целочисленного квантового эффекта Холла, содержащий заземленный сверхпроводящий терминал. Эта геометрия позволяет управлять амплитудами андреевского и нормального рассеяния подщелевых квазичастиц Боголюбова с помощью фазы Ааронова-Бома, а также с помошью сужений, определяющих петлю интерферометра (Рис. 1). Матрица кондактанса такого трехполюсного интерференционного устройства типа NSN демонстрирует гораздо более богатое поведение по сравнению с его двухполюсным аналогом Фабри-Перо, что проиллюстрировано нетривиальным поведением нелокального транспорта заряда и тепла (Рис. 2). Версия интерферометра, сформированного на одиночном краю, позволяет полностью контролировать электрон-дырочную суперпозицию по требованию, включая возможность резонансного усиления произвольно малой вероятности андреевского отражения до 1. Это позволяет использовать Боголюбовский интерферометр в качестве строительного блока в будущих более сложных интерференционных структурах.

Рис 1: Модель интерферометра. Интерферометр Боголюбова представляет собой интерферометр типа Фабри-Перо на краевых каналах, сформированный двумя сужениями (1 и 2) и сверхпроводящим контактом внутри (S). Матрицы распространения вдоль края, соответствующие рассеянию в сужениях, пролетам вдоль края и рассеянию на области с наведенным эффектом близости обозначены буквами со шляпкой.

Рис 2: Нелокальный электрический и тепловой кондактанс. Цветовые карты нелокального электрического кондактанса (a, b) и теплового кондактанса (с) в зависимости от фазы Ааронова-Бома и коэффициента отражения в сужениях. Срез карты при фиксированном R=0.25 (d).

Публикация:Khrapai, V. Quantum Hall Bogoliubov interferometer / V. Khrapai // Physical Review B. – 2023. – Vol. 107, Iss. 24. – P. L241401. – DOI:10.1103/PhysRevB.107.L241401

Грант РНФ № 22-12-00342

Физические науки, направление 1.3.2.5. «Физика нано- и гетероструктур, мезоскопика»

НАИБОЛЕЕ ЗНАЧИМЫЕ результаты, полученные в ИФТТ РАН в 2021

Утверждены на заседании Ученого совета ИФТТ РАН 20 декабря 2021 г.
(протокол № 25)

Теория Гинзбурга-Ландау для сверхпроводников полярной симметрии с примесями

В.М. Эдельштейн

Рис.1. Схема магнито-электрического эффекта в сверхпроводнике с полярной симметрией. Здесь c - полярная ось кристалла, J_s - объемная плотность сверхпроводящего тока, M - объемная плотность спиновой намагниченности, вызванной током J_s.

В недавно опубликованной работе В.М. Эдельштейна [1] выведено выражение для свободной энергии трехмерного сверхпроводника с нарушенной зеркальной симметрией, учитывающее неидеальность кристаллической решетки. Интерес к сверхпроводникам с такой симметрией связан с тем, что в них спин-орбитальная связь электронов проводимости играет особую роль, приводя к ряду необычных явлений важных для спинтроники. Наиболее известный пример - появление спиновой намагниченности в состоянии с электрическим током (Рис.1). Необходимость учета электронного рассеяния в этой задаче связана с двумя обстоятельствами. Во-первых, сверхпроводники с нарушенной зеркальной симметрией всегда являются многоатомными соединениями, вследствие чего количество нарушений их кристаллической структуры может быть велико. Во-вторых, рассеяние электронов на примесях является основным механизмом, ответственным за релаксационные явления в кинетике и оптике.

Задача решена при любом соотношении между амплитудой примесного рассеяния, величиной спин-орбитальной связи и критической температуры. При тех же условиях также получена формула для магнитоэлектрического эффекта (появление плотности спиновой поляризации у движущегося конденсата). В качестве следствия развитой теории, доказано отсутствие спиновых потоков в состоянии, несущем сверхтекучий ток (запрет спинового эффекта Холла) независимо от присутствия или отсутствия примесного рассеяния.

Основным теоретическим результатом является метод вычисления диаграмм Фейнмана, отличающийся от стандартного и полностью учитывающий спин-орбитальное взаимодействие.

Публикация:
[1] V.M. Edelstein, Ginzburg-Landau theory for impure superconductors of polar symmetry, Phys. Rev. B 103, 094507 (2021)

Тема ГЗ: «Физика и технологии новых материалов и структур», (FFUW-2019-0014)

Физические науки, направление 1.3.2. «Физика конденсированных сред и физическое материаловедение»

Влияние спиновой диффузии и спиновой инжекции на характеристики джозефсоновских переходов сверхпроводник-нормальный металл-сверхпроводник

В.В. Рязанов, Т.Е. Голикова, Г.А. Пензяков, И.Е. Батов, И.В. Бобкова, А.М. Бобков (с соавторами)

Исследовано влияние квазичастичной и спиновой инжекции из ферромагнетика (F) в джозефсоновский N/F-барьер субмикронной структуры сверхпроводник - нормальный металл/ферромагнетик – сверхпроводник (S-N/F-S структуры, Рис.2а) на критический ток, инверсию разности фаз, появление нелокальных эффектов. Наблюдалось спиновое расщепление сверхпроводящей энергетической щели и наведенной в N-барьере минищели. Спиновая диффузия из F-подслоя в N-барьер и неравновесное электронное распределение, вызванное квазичастичной инжекцией, обеспечили наблюдение двойного (0-π-0) перехода с инверсией разности сверхпроводящей фазы (Рис.2b), связанный с двукратным изменением направления когерентного транспорта в реализованной череде состояний (зон), переносящих сверхпроводящий ток через джозефсоновский барьер. Полученные экспериментальные результаты [1] сравниваются с выполненными модельными расчетами, которые учитывают изменение сверхпроводящей токонесущей плотности состояний и функции распределения в S-N/F-S переходах под действием эффекта близости нормального барьера с ферромагнетиком и сверхпроводником, а также спиновой диффузии и неравновесной квазичастичной инжекции.

a) b)

Рис.2. a) Микрофотография джозефсоновской S-N/F-S структуры Al-Cu/Fe-Al c ферромагнитным (Fe) подслоем – инжектором спин-поляризованных квазичастиц. b) Экспериментальная зависимость джозефсоновского критического тока I_c структуры

Al-Cu/Fe-Al от тока инжекции I_inj с двумя (0-π-0) переходами с инверсией разности сверхпроводящей фазы. На вставке – результаты теоретической модели.

Публикация:
[1] T.E. Golikova, M.J. Wolf, D. Beckmann, G.A. Penzyakov, I.E. Batov, I.V. Bobkova, A.M. Bobkov, V.V. Ryazanov, Controllable supercurrent in mesoscopic superconductor-normal metal-ferromagnet crosslike Josephson structures, Superconductor Science and Technology 34, 095001 (9pp), (2021) https://doi.org/10.1088/1361-6668/abfd0d

Тема ГЗ: «Физика и технологии новых материалов и структур», (FFUW-2019-0014)

Физические науки, направление 1.3.2. «Физика конденсированных сред и физическое материаловедение»

Упорядоченные структуры из частиц в смектических наноплёнках в условиях микрогравитации

П.В. Долганов, Н.С. Шуравин, В.К. Долганов (с соавторами)

Рис.3. Структура с гексагональным упорядочением, образованная каплями изотропной жидкости в наноплёнке смектического жидкого кристалла. Белыми точками на фото отмечены центры капель. Условия микрогравитации позволили получить наноплёнки больших размеров и толщиной от нескольких молекулярных слоёв до сотен слоёв. Горизонтальный размер фотографии 230 мкм.

Проведен анализ данных космического эксперимента по изучению наноплёнок смектических жидких кристаллов, приготовленных в форме сферического пузыря в условиях микрогравитации. Установка находилась в американском секторе Международной космической станции (МКС). Техническое сопровождение осуществлялось американскими астронавтами и российскими космонавтами. Изучено коллективное поведение капель изотропной жидкости, зарождающихся в смектических наноплёнках выше температуры объёмного фазового перехода плавления смектика. Обнаружено, что капли образуют гексагональную структуру с равновесным межчастичным расстоянием, в несколько раз превышающим размеры капель (Рис.3). Механизм, приводящий к образованию двумерно упорядоченной структуры, может быть связан с деформацией слоевой структуры каплями. Распределение положений включений по азимутальному направлению имеет большую относительную ширину, чем по радиальному направлению. Обнаружено нетривиальное динамическое поведение частиц с периодическим разрушением и восстановлением гексагонального упорядочения. Приводимые результаты являются частью большого объёма данных по структуре и динамике смектических наноплёнок, полученных на МКС.

Публикация:
P.V. Dolganov, N.S. Shuravin, V.K. Dolganov, E.I. Kats, R. Stannarius, K. Harth, T. Trittel, C.S. Park and J.E. Maclennan, Transient hexagonal structures in sheared emulsions of isotropic inclusions on smectic bubbles in microgravity conditions, Scientific Reports 11, 19144 (2021).

Работа группы из ИФТТ РАН поддержана проектом РНФ 18-12-00108 и ФГУП ЦНИИМаш.

Физические науки, направление 1.3.2. «Физика конденсированных сред и физическое материаловедение»

Метод формирования оптических поверхностей терагерцовых элементов седиментацией коллоидной суспензии в форму

Улитко В.Э., Катыба Г.М., Долганова И.Н., Масалов В.М., Емельченко Г.А., Шмытько И.М., Курлов В.Н (с соавторами)

Разработан метод формирования оптических поверхностей терагерцовых (ТГц) элементов на основе искусственных опалов, не включающий механическую обработку. Данный метод позволяет получать оптические поверхности сложной геометрии, используя заранее подготовленную форму. Для демонстрации этого метода был изготовлен аксикон (Рис.4 (в)) с углом при вершине 160 градусов с помощью форм из оргстекла (Рис.4 (б)); собранная форма для осаждения имеет вид, показанный на Рис.4 (а). Преобразование ТГц поля аксиконом было исследовано (Рис.4 (г)) на установке ТГц визуализации; теоретическое распределение ТГц поля за аксиконом было получено с помощью методов вычислительной электродинамики (Рис.4 (д)). Хорошее согласование эксперимента с теорией показывает, что опаловые матрицы являются перспективным материалом для ТГц оптики. Учитывая высокую термостойкость материала (до 900-1100°С, в зависимости от синтеза материала) и биологическую совместимость, этот материал может быть использован для решения многих теоретических и прикладных задач современной физики.

Рис. 4 Апробация метода формирования оптической поверхности ТГц элемента седиментацией коллоидной суспензии.

Публикации:

Ulitko V.E., Katyba G.M., Zhelnov V.A., Shmytko I.M., Emelchenko G.A., Spector I.E., V.M. Masalov, V.N. Kurlov, K.I. Zaytsev, M. Skorobogatiy,
“Opal-based terahertz optical elements fabricated by self-assembly of porous SiO2 nanoparticles,” Optics Express 29(9), 13764-13777 (2021), DOI: 10.1364/OE.422637.
Ulitko V.E., Kurlov V.N., Masalov V.M., Dolganova I.N., Chernomyrdin N.V., Zaytsev K.I., Katyba G.M., “Terahertz axicon fabricated by direct sedimentation of SiO2 colloidal nanoparticles in a mold”, Proceedings of SPIE, 118270M (2021), DOI: 10.1117/12.2593600.
Улитко В.Э., Масалов В.М., Шикунова И.А., Гавдуш А.А., Зайцев К.И., Курлов В.Н «Способ получения плоско-выпуклых оптических элементов терагерцового диапазона из опала на основе кремнезема», Патент РФ на изобретение №2756386, 2021.

Работа выполнена при поддержке гранта РНФ № 19-12-00402

Физические науки, направление 1.3.5. «Оптика и лазерная физика»

Новый молибденовый сплав, разработанный в ИФТТ РАН, совместно с ИМЕТ РАН и ОАО «Композит»

М.И. Карпов, В.И. Внуков, Б.А. Гнесин, И.Б. Гнесин, Д.В. Прохоров, Т.С. Строганова, И.С. Желтякова. (с соавторами)

Разработан новый жаропрочный сплав на основе молибдена, способный выдерживать нагрузку в 300 МПа при температуре 1600°С. Отличительной особенностью сплава является высокая чистота по наиболее вредной примеси – кислороду. Исходной заготовкой при изготовлении продукции является слиток, получаемый методом последовательного проведения вакуумной электронно-лучевой и вакуумной электро-дуговой плавки. Производство продукции из сплава осуществляется классическими методами обработки давлением и термообработки. Возможно также получение гранул для последующего применения в аддитивных технологиях.

Молибден и его сплавы находят широкое применение как конструкционный материал в аэрокосмической, электронной промышленности, ядерной энергетике. В настоящее время, в связи с разработкой нового поколения атомных реакторов, в том числе космического базирования, развитием гиперзвуковой авиационной и космической техники возникла необходимость в разработке новых жаропрочных сплавов с повышенными характеристиками прочности при температурах 1600°С и выше. Наиболее перспективными для этих целей являются сплавы на основе молибдена. Их плотность существенно ниже, чем у сплавов на основе тантала и вольфрама, что важно для авиационной и космической техники. А применение плавильных технологий для производства изделий из них, благодаря высокой чистоте получаемых слитков по кислороду и специальному легированию, позволяют получать материал, обладающий высокой пластичностью при комнатной температуре. Высокая чистота по кислороду позволяет также применять электронно-лучевую или лазерную сварку при изготовлении изделий. Опытные партии изделий из нового сплава выпускаются на опытно-промышленной базе ИФТТ РАН и поставляются в ОАО «Композит» для проведения испытаний.

Новый сплав по жаропрочности значительно превосходит применяемые в настоящее время молибденовые сплавы. Так при испытании на растяжение при температуре 1450°С его предел прочности более чем в 3 раза превышает предел прочности молибденового сплава ТСМ-7.

Публикации: Новый сплав в настоящее время проходит процедуру патентования

Физические науки, направление 1.3.2. «Физика конденсированных сред и физическое материаловедение»

Электрокалорический эффект в тонких проводящих ферроэлектрических кристаллах SnSe

Н.Н. Орлова, А.В. Тимонина, Н.Н. Колесников, Э.В. Девятов

Современный интерес к проводящим системам с нарушенной симметрией различного типа связан не только с поверхностными состояниями в топологических материалах, но и с объёмными ферроэлектрическими и ферромагнитными свойствами таких систем. Одним из сложных физических явлений для ферромагнитных и ферроэлектрических систем является калорический эффект, так же важный для применений. Например, использование калорического эффекта предполагается важным для разработки новых методов охлаждения, дружественных для окружающей среды и пригодных для использования в разработке возобновляемых источников энергии. До сих пор электрокалорический эффект демонстрировался в ферроэлектрических диэлектриках, в то время как наличие значительной проводимости в ферроэлектрической системе открывает более широкие возможности для управления эффектом.

В данной работе мы исследовани термоэлектрический отклик тонких (100 нм) монокристаллических плёнок SnSe в условиях наличия постоянного электрического поля. Термоэлектрический отклик измерялся как отклик на второй гармонике, что отражает величину и знак температурного градиента в образце. Полученные зависимости сильно немонотонны, кроме того, мы продемонстрировали, что знак возникающего температурного градиента управляется постоянным электрическим полем, приложенным к образцу. Полученный результат демонстрирует наличие сильного электрокалорического эффекта в проводящей ферроэлектрической системе (около 0.5 К при комнатной температуре, что сравнимо с максимальными достигнутыми значениями для ферроэлектрических изоляторов) и открывает новые возможности по его in-situ детектированию и управлению, в том числе электрическим полем, индуцированным протекающим током в проводящей системе.

Публикация:
Phys. Rev. B 104, 045304 (2021) https://doi.org/10.1103/PhysRevB.104.045304

Тема ГЗ: «Коллективные явления в электронных и экситонных системах в полупроводниковых наноструктурах», (FFUW-2019-0015)

Физические науки, направление 1.3.2. «Физика конденсированных сред и физическое материаловедение»

Конденсат лафлиновских энионных комплексов

Л. В. Кулик, А. С. Журавлев, Л. И. Мусина, E. И. Белозеров, А. Б. Ваньков, О. В. Волков, А. А. Загитова, И. В. Кукушкин (с соавторами)

Двумерные электронные системы в квантующем магнитном поле представляют исключительный интерес, учитывая возможную роль энионов - квазичастиц с небозонной и нефермионной статистикой - в прикладной физике (в приложении к топологическим квантовым вычислениям). До сих пор ни одной экспериментальной реализации системы с энионной статистикой, кроме дробных состояний квантового эффекта Холла, не было представлено. При определении термодинамических свойств энионной материи в дробных состояниях важно исследовать физику ее нейтральных возбуждений. Нами впервые экспериментально сформирован макроскопический квазиравновесный ансамбль нейтральных возбуждений - энионных комплексов в лафлиновском состоянии 1/3. Обнаружено, что ансамбль имеет столь долгое время жизни (более 10 с), что его можно рассматривать как новое квазистационарное состояние энионной материи. Физические свойства этого состояния материи исследовались оптическими методами, и было показано, что статистика энионных комплексов близка к бозевской. Таким образом, впервые реализована экспериментальная программа формирования из фермионов (электронов) квазичастиц с энионной статистикой посредством добавления в электронную систему квантов магнитного потока. В результате получилась материальная система, представляющая исключительный интерес для квантовых вычислений.

Схема оптических переходов и экспериментальной установки, использованной для получения конденсата энионных комплексов.

Публикация:
L.V. Kulik, A.S. Zhuravlev, L.I. Musina, E.I. Belozerov, A.B. Vankov, O.V. Volkov, A.A. Zagitova, I.V. Kukushkin, V.Y. Umansky, Laughlin, anyon complexes with Bose properties, Nature Communications 12, Article number: 6477 (2021).

Работа выполнена при поддержке гранта РНФ 18-12-00246.

Физические науки, направление 1.3.2. «Физика конденсированных сред и физическое материаловедение»

Важнейшие результаты, полученные в ИФТТ РАН в 2019 году

Важнейшие результаты, полученные в ИФТТ РАН в 2020 году

Важнейшие результаты, полученные в ИФТТ РАН в 2018 году

Важнейшие результаты, полученные в ИФТТ РАН в 2017 году

Результаты и разработки, доведенные до готовности

1

2

3


				02.04.2026

Важнейшие научные результаты

НАИБОЛЕЕ ЗНАЧИМЫЕ результаты, полученные в ИФТТ РАН в 2025 г.

Утверждены на заседании Ученого совета ИФТТ РАН 15 декабря 2025 г. (протокол № 26)

1. Металл-поддерживаемые твердооксидные топливные элементы с единственным низкотемпературным insitu обжигом

2. Спиновый вентиль для поверхностных состояний в топологических полуметаллах

3. Спектр плазменных возбуждений в плазмонном кристалле на базе AlGaAs/GaAs гетероструктуры

4. Плазменные возбуждения в системе сверхпроводящих электронов в тонких пленках NbN

5. Перспективы использования твердооксидных топливных элементов для генерации энергии из низкокалорийных сбросных газов

6. Композит из кремнезема и детонационных наноалмазов с частично удаленными оболочками

7.Динамика решетки, сжимаемость, тепловое расширение и теплоемкость многослойного графана

8. Очистка сырья и выращивание кристаллов CaF2 вертикальной зонной плавкой

9.Локальная термометрия чешуйки NbSe2 путем измерения дельта-T шума

10.Светоиндуцированное упорядочение скирмионов с образованием кубической фазы в хиральномнематике

11. Полые кремнеземные наносферы с высоким содержанием молекулярного водорода

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

2.Упорядоченные одномерные структуры топологических дефектов на поверхности нематик – изотропная жидкость

3.Переход от релятивисткой к нерелятивистской намагниченности для альтермагнитного состояния, реализованного в полупроводнике MnTe

4.Супердисперсионный плазмонный метаматериал

5.Развитие методов проектирования сверхпроводниковых сигма-нейронов

6.Батарея твердооксидных топливных элементов анод-поддерживаемой конструкции.

7. Экспериментальное исследование крупного устойчивого антициклона во вращающейся турбулентности

8.Прямое наблюдение пиннинга вихрей Абрикосова в пространственно неоднородном кристалле EuRbFe4As4.

9.Топологический солитон в пайерлсовском полуметалле Sb

НАИБОЛЕЕ ЗНАЧИМЫЕ результаты, полученные в ИФТТ РАН в 2022 г.

Утверждены на заседании Ученого совета ИФТТ РАН 05 декабря 2022 г. (протокол № 26)

1. Реализация режима динамически отрицательной ёмкости в рашбовском ферроэлектрике GeTe

2. Биротоны и «тёмные» иерархии квантово-Холловских состояний

4. Визуализация со сверхвысоким разрешением при помощи расходящегося жгута оптических волокон с высоким показателем преломления

5. Эффект магнитной памяти в планарных микромостиках ферромагнетик/сверхпроводник/ферромагнетик

6. Разработка промышленной технологии изготовления трехслойных мембран и несущих анодных подложек для высокоэффективных твердооксидных топливных элементов

7. Модификация графена на пластинах β-SiC/Si(001) молекулами феназинового красителя Нейтральный красный

8. Разработка конструкции и технологических основ твердооксидных топливных элементов с металлическими опорными слоями и монополярной коммутацией

9. Поверхностное натяжение расплава теллурида цинка-кадмия

10. Способ получения высокотемпературного материала на основе карбида кремния и силицида молибдена

11. Новое поколение жаропрочных сплавов

12. Деформационное легирование конструкционных, электронных и оптических компонентов

13. Интерфейсная сверхпроводимость в дираковских полуметаллах

14. Управление направлением ферроэлектрической поляризации в гетероструктуре WTe2/SnSe при помощи протекающего тока

15. Сапфировый аппликатор для криохирургии с функцией оптического мониторинга состояния ткани

16. Твердые растворы водорода с симметричным куполом расслоения

17. Инжекционный полупроводниковый лазер циркулярно поляризованного излучения на основе хирального микрорезонатора

18. Трансформация гибридных частиц типа “ядро-оболочка” ПММА-SiO2 в полые частицы SiO2

19. Пайерлсовская неустойчивость решетки Либа

20. Новый механизм утоньшения свободно подвешенных смектических наноплёнок

21. Термическая устойчивость насыщенных твердых растворов водорода в кварцевом стекле при нормальном давлении.

НАИБОЛЕЕ ЗНАЧИМЫЕ результаты, полученные в ИФТТ РАН в 2023

Утверждены на заседании Ученого совета ИФТТ РАН 04 декабря 2023 г. (протокол № 26)

Разработка технологии плазменного напыления силицидных покрытий для защиты сплавов циркония от окисления

Разработка новых физических принципов для построения терагерцовых фазовращателей

Новый метод нанесения газоплотных защитных SiC покрытий

Спиновый хаос экситонных поляритонов в магнитном поле

Практическая реализация прототипов сверхпроводниковых нейронов

Новые композиты углеволокно-титан

Синтез сверхпроводящего тригидрида циркония при высоком давлении водорода

Термостабильные концентрированные растворы молекулярного водорода в литий-силикатном стекле

Метод получения монокристаллов ZnSe:Cr для активных и пассивных элементов лазеров ближнего ИК диапазона

Интерферометр Боголюбова в квантовом эффекте Холла

НАИБОЛЕЕ ЗНАЧИМЫЕ результаты, полученные в ИФТТ РАН в 2021

Утверждены на заседании Ученого совета ИФТТ РАН 20 декабря 2021 г. (протокол № 25)

Теория Гинзбурга-Ландау для сверхпроводников полярной симметрии с примесями

Влияние спиновой диффузии и спиновой инжекции на характеристики джозефсоновских переходов сверхпроводник-нормальный металл-сверхпроводник

Упорядоченные структуры из частиц в смектических наноплёнках в условиях микрогравитации

Метод формирования оптических поверхностей терагерцовых элементов седиментацией коллоидной суспензии в форму

Новый молибденовый сплав, разработанный в ИФТТ РАН, совместно с ИМЕТ РАН и ОАО «Композит»

Электрокалорический эффект в тонких проводящих ферроэлектрических кристаллах SnSe

Конденсат лафлиновских энионных комплексов

Результаты и разработки, доведенные до готовности

Утверждены на заседании Ученого совета ИФТТ РАН 15 декабря 2025 г.
(протокол № 26)

8. Очистка сырья и выращивание кристаллов CaF₂ вертикальной зонной плавкой

9.Локальная термометрия чешуйки NbSe₂ путем измерения дельта-T шума

Утверждены на заседании Ученого совета ИФТТ РАН 25 ноября 2024 г.
(протокол № 23)

8.Прямое наблюдение пиннинга вихрей Абрикосова в пространственно неоднородном кристалле EuRbFe₄As₄.

Утверждены на заседании Ученого совета ИФТТ РАН 05 декабря 2022 г.
(протокол № 26)

14. Управление направлением ферроэлектрической поляризации в гетероструктуре WTe₂/SnSe при помощи протекающего тока

18. Трансформация гибридных частиц типа “ядро-оболочка” ПММА-SiO₂ в полые частицы SiO₂

Утверждены на заседании Ученого совета ИФТТ РАН 04 декабря 2023 г.
(протокол № 26)

Утверждены на заседании Ученого совета ИФТТ РАН 20 декабря 2021 г.
(протокол № 25)