30.09.2022 
  

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, Js - объемная плотность сверхпроводящего тока, M - объемная плотность спиновой намагниченности, вызванной током Js.

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 Ic структуры

Al-Cu/Fe-Al от тока инжекции Iinj 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:

  1. 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.
  2. 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.
  3. 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»