Важнейшие результаты, полученные в ИФТТ РАН в 2015 году

ВАЖНЕЙШИЕ РЕЗУЛЬТАТЫ, ПОЛУЧЕННЫЕ В ИФТТ РАН В 2015 ГОДУ

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

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

Реализация сверхпроводящих кубитов и преимущества использования в их структуре джозефсоновских p–контактов.
(совместно с МИСиС, Российским квантовым центром, МФТИ и Институтом технологий Карлсруэ, Германия)

В 2015 г реализован первый российский сверхпроводящий кубит и изучены его характеристики.

Рис.1.Микрофотография кубита и его спектр.

Изготовлен также сверхпроводящий потоковый кубит с встроенным инвертором сверхпроводящей фазы(p –контактом, разработанным в ИФТТ РАН [1]. p–контакт позволяет достигать рабочего режима кубита без необходимого в обычном случае внешнего магнитного поля, что должно обеспечить увеличение времен когерентности кубита и сделать архитектуру многокубитных систем более компактной.

Рис.2. Система двух кубитов, связанных с одним микроволновым резонатором. Левый кубит содержит p–контакт и его рабочие (черные) точки, сдвинуты относительно рабочих (красных) точек обычного кубита на пол-кванта магнитного потока (одна из них соответствует отсутствию приложенного поля).

[1] A.V. Shcherbakova et al. Supercond. Sci. Technol. 28, 025009 (2015).

Экспериментальное свидетельство сохранения спиновой когерентности для транспорта вдоль края
двумерного топологического изолятора на макроскопических масштабах длин.

Возможность экспериментально исследовать двумерные топологические изоляторы связана с реализацией режима спинового квантового эффекта Холла. Предполагается, что обнаруженный в этом режиме краевой транспорт обусловлен геликоидальным спин-расщеплённым краевым состоянием, существующем даже в нулевом магнитном поле. С другой стороны, обычный транспортный эксперимент не способен выделить информацию о спиновой структуре краевого состояния. В нашем эксперименте мы использовали ферромагнитные контакты к квантовой яме HgTe с различной ориентацией намагниченности для инжекции и детектирования спин-поляризованных электронов в краевое состояние. Мы продемонстрировали, что в этих условиях краевой транспорт чувствителен к взаимной ориентации намагниченностей контактов даже для макросокопических (200 мкм) расстояний, что является экспериментальным свидетельством наличия спиновой структуры краевого токонесущего состояния для двумерного топологического изолятора, реализованного в квантовой яме HgTe.

Впервые наблюдены «медленные» осцилляции магнитосопротивления вдоль проводящих слоев в квазидвумерных монокристаллах редкоземельных теллуридов TbTe₃ и GdTe₃. Период осцилляции не определяется сечением какого-либо «кармана» на ферми-поверхности, что следует из очень слабой температурной зависимости их амплитуды, а связан с наличием двух близких по частоте осцилляций Шубникова-де Гааза из-за конечного интеграла межслоевого перекрытия t_z. Из экспериментальных данных получена оценка для интеграла t_z ≈ 1meV в этих кристаллах, которую трудно получить другими методами. (P.D. Grigoriev, A.A. Sinchenko, P. Lejay, O. Leynaud, V.N. Zverev, and P. Monceau, “Slow oscillations of in-plane magnetoresistance in strongly anisotropic quasi-two-dimensional rare-earth tritellurides”, http://arxiv.org/abs/1504.06064)

Рис.1 «Быстрые» и «медленные» осцилляции магнитосопротивления на образце GdTe₃ при Т=4.2 К. На вставке правого рисунка показан Фурье-спектр осцилляций.

Доменная структура под микроволновым излучением

На образцах гетероструктур GaAs/AlGaAs с двумерными электронными системами в индуцированном микроволновым излучением состоянии с подавленной диссипацией выполнены исследования обнаруженной ранее нерегулярной перестройки доменной структуры во времени, происходящей без видимых внешних воздействий. Установлено, что основным содержанием эффекта является переворот спонтанного электрического поля доменов. В результате сигнал микроволновой фото-ЭДС меняет знак (рис. 1(a)), а зависимости экстремумов фото-ЭДС от различных параметров оказываются симметричными относительно некоторого значения, которое может быть близко к нулю (рис.1(b)). Такой эффект инверсии поляризации, безусловно, связан со спонтанным нарушением симметрии и предполагает существование неизвестного пока механизма отклика образца на спонтанное электрическое поле. Обнаружено, что перестройка доменной структуры может происходить в форме серий периодических автоколебаний с нерегулярными погасаниями (рис.2).

(Phys. Rev. Lett. (2015), 114, 176808, Письма в ЖЭТФ (2015),102, 101)

Рис.1. (a) Зависимость от времени сигнала микроволновой фото-ЭДС. (b) Зависимость минимального и максимального значений фото-ЭДС от частоты излучения.

Рис. 2. Сигналы фото-ЭДС с трех разных контактов к образцу.

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

Обнаружение новой слабозатухающей плазменной моды плазменных колебаний в системе двумерных электронов с затвором.

В системе двумерных электронов, с проводимостью, превышающей скорость света, обнаружена новая релятивисткая мода плазменных колебаний, слабозатухающая вплоть до комнатных температур. Необходимым условием ее существования являются: высокая проводимость и наличие близкого металлического затвора, что указывает на поляритонную природу обнаруженной моды. Найдено, что мода имеет аномально узкую ширину линии резонансного поглощения, значительно меньше, чем ожидаемая из времени импульсной релаксации двумерных электронов. Свойства релятивисткой плазменной моды открывают большие перспективы для создания быстрых детекторов и генераторов субтерагерцового излучения, необходимых для развития современных телекоммуникационных устройств.

Рис. 1 Схема эксперимента (а), новая плазменная мода с необычно малой шириной 0.4 ГГц (б), зависимость частоты моды от проводимости электронной системы, (с) влияние температуры на затухание плазменной моды.

V.M. Muravev, P.A. Gusikhin, I.V. Andreev, I. V. Kukushkin “Novel Relativistic Plasma Excitations in a Gated Two-Dimensional Electron System” Phys. Rev. Lett., 114, 106805 (2015)

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

На технологичной вицинальной подложке SiC(001)/Si(001) синтезировано и исследовано с помощью сканирующей туннельной микроскопии и фотоэлектронной спектроскопии однородное покрытие трехслойного графена, состоящее из нанодоменов с одним предпочтительным направлением междоменных границ. Низкотемпературные транспортные измерения демонстрируют, что формирование такой упорядоченной системы нанодоменов приводит к открытию при температурах ниже 100 К транспортной щели, позволяющей достигать больших отношений токов включения/выключения (~10⁴) в трехслойном АВА-графене. Результаты демонстрируют возможность
создания новых наноструктур для приборов наноэлектроники на базе графена на поверхности кубического карбида кремния.

Рис. 1. (a) СТМ-изображение вицинальной поверхности SiC(001). Направление ступеней совпадает с [110]. (b-d) СТМ-изображения трехслойного графена, синтезированного на вицинальной поверхности SiC(001). Решетки в соседних нанодоменах повернуты на углы 17° по часовой (GrR) и 10° против часовой стрелки (GrL) относительно междоменной границы (NB). (e) Схематическая модель границы между асимметрично повернуто доменами на (c) и (d). (f) Схематическое изображение нано-контактов при транспортных измерениях. (g,h) Вольт-амперные характеристики, измеренные при 300, 250, 200, 150, 100, 50, и 10 K. Ток при измерениях направлен перпендикулярно междоменным границам. (i) Кривые dI/dV, демонстрирующие формирование транспортной щели при температурах ниже 150 K. (ACS Nano (2015), 9, 8967-8975)

Токообразующие реакции в электродах ТОТЭ

Объединение методик комбинационного рассеяния света и импедансной спектроскопии, в сочетании с принципиально новой геометрией образцов ТОТЭ, изготавливаемых на основе оптически прозрачных монокристаллических мембран твердого электролита позволило in-situ исследовать кинетику восстановления композиционного электрода ТОТЭ в условиях топливной камеры в широком диапазоне температур. Анализ полученных результатов в сочетании с результатами термогравиметрического анализа (ТГА) проведенный в рамках модели Аврами-Ерофеева (рис. 1) свидетельствует в пользу протекания окислительно-восстановительных на контакте ионный проводника YSZ – электронный проводник (Ni) через образование нанозерен оксида никеля NiO.

Рис. 1. Кривые восстановления NiO в композиционном аноде ТОТЭ, измеренные методами КРС и ТГА в координатах Аврами

Радиационная прочность органических полимеров

Установлено значительное увеличение радиационной прочности органических полимеров при формировании их композитов с неорганическими наночастицами, объясняемое быстрым восстановлением разорванных облучением межатомных связей при закреплении молекул наночастицами (см. рисунок). С другой стороны, впервые обнаружена обратимая пластификация таких композитов рентгеновским облучением, объясняемая инжекцией в полимеры из наночастиц электронных возбуждений, образованных в них поглощением гамма – квантов.

На рисунке: Влияние ультрафиолетового облучения на деформационные кривые чистого полистирола и его композита с наночастицами. Разупрочнение, вызванное облучением, в чистом полистироле (верхняя кривая) гораздо сильнее, чем в композите, и восстановление прочности композита после прекращения облучения происходит значительно быстрее

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

Управление структурой нанокристаллических материалов

Разработаны принципы управления наноструктурой, образующейся при кристаллизации легких аморфных сплавов под действием температуры и деформации. Определены условия, обеспечивающие максимальное количество потенциальных мест зарождения нанокристаллов и формирование наноструктуры с оптимальными размерами нанокристалов и долей нанокристаллической фазы, приводящие к повышению прочностных свойств. При деформационной и комбинированной термо-механической обработке образование нанокристаллов (рис.1) происходит в области полос сдвига (рис. 2). В аморфно-нанокристаллических образцах Al-Ni-Gd получены близкие к рекордным (1.6 ГПа) для легких сплавов значения прочности (1.5 ГПа, рис. 3). (Adv. Res. Mater. Sci., 2016, принято в печать)

Рис.1 Нанокристаллы, образовавщиеся при деформации	Рис.2. Сетка полос сдвига
Рис.3. Зависимость микротвердости сплава Al₈₇Ni₈Gd₅ в зависимости от деформации (при вращении под давлением)

Предвестник полимеризации азота в азиде цезия

Азид цезия CsN3 впервые исследован методом рамановской спектроскопии при комнатной температуре и давлениях до 30 ГПа. При повышении давления последовательно происходят переходы в фазу III (при 0,5 ГПа), фазу IV (при 4,3 ГПа) и фазу V (при 19 ГПа). Обнаруженный для фазы V при 27,5 ГПа слабый пик, обусловленный изгибными колебаниями аниона (Рис. 1а), указывает на образование ковалентных связей и возможное начало полимеризации азота, предсказанной теоретически. Неорганические азиды представляют интерес как прекурсоры для синтеза новых полимерных форм азота, а также в связи с возможностью их промышленного применения в качестве инициирующих взрывчатых веществ и источников химически чистого азота. (S.A. Medvedev, O.I. Barkalov, P. Naumov, T. Palasyuk, J. Evers, T.M. Klapötke, C. Felser. J. Appl. Phys. 117 (2015) 165901)

Рис. 1. Характерные спектры рамановского рассеяния CsN₃ в интервале частот решеточных колебаний (a) и в области валентных колебаний (b) при различных давлениях.

Рис. 2. Зависимости частот рамановски активных мод от давления. Вертикальные штриховые линии показывают границы устойчивости фаз.

Тема № 9.1 Жаропрочные материалы для новой техники.

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

Получены экспериментальные свидетельства и разработана теоретическая модель, которые свидетельствуют, что диамагнитный оксид цинка может приобретать ферромагнитные свойства (даже при комнатной температуре и без легирования), если оксид цинка – поликристаллический, а размер зерен – достаточно мал. С помошью метода спиновой релаксации мюонов низкой энергии, просвечивающей электронной микроскопии и магнитных измерений показано, что доля объема, обладающего ферромагнитными свойствами в нанокристаллической пленке оксида цинка, пропорциональна доле объема, занятого границами зерен. С помощью метода молекулярной динамики и теории функционала плотности показано, что в границах зерен нелегированного ZnO существуют ферромагнитно связанные электронные состояния (Scientific Reports 5 (2015) 8871)

Амплитуда асимметрии спиновой релаксации мюонов низкой энергии в нулевом поле (обратно пропорциональна доле ферромагнитной фазы) для оксида цинка. В монокристалле доля магнитного объема нулевая, она растет до 35% в ZnO с размером зерен 20 нм.

Направленной кристаллизацией из расплава получены профилированные оксидные эвтектики Al₂O₃-Y₃(Er₃)Al₅O₁₂, Al₂O₃-GdAlO₃ и Al₂O₃-ZrO₂(Y₂O₃), которые обладают высоким сопротивлением ползучести, износостойкостью, коррозионной стойкостью, высокой химической инертностью, прочностью и термоокислительной стойкостью при температурах 1400-1600°С. Уникальное сочетание свойств оксидных эвтектик наряду с возможностью получения из расплава профилированных заготовок близких по своей геометрии к форме конечных изделий открывает широкие перспективы их использования в качестве элементов газотурбинных двигателей (ГТД) для увеличения эксплуатационных температур, ведущих к существенному повышению эффективности многих конструкций.

Вверху: профилированные оксидные эвтектики. Внизу: микроструктура профилированных эвтектик: а) Al₂O₃-Y₃Al₅O₁₂, б) Al₂O₃-GdAlO₃ (диаметр волокон GdAlO₃ 450 нм), в) Al₂O₃-ZrO₂(Y₃Al₅O₁₂).

Новые высокотемпературные композиты c оксидной матрицей

Впервые получены высокотемпературные композиты c оксидной матрицей и молибденовым волокном, трещиностойкость которых соизмерима с трещиностойкостью высокопрочных металлических сплавов, кривые
деформирования композитов носят квази-пластический характер. Введение в состав матрицы молибдат-образующих элементов обеспечивает высокое сопротивление окислению этих композитов. Длительные высокотемпературные выдержки композитов практически не снижают их прочность как при комнатной, так и при высоких температурах. Полученные композиты могут быть основой эффективных жаропрочных, жаростойких и трещиностойких материалов, применение которых в газовых турбинах существенно повысит их кпд.

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

Новые материалы для источников излучения видимого диапазона

1). Получены новые данные о люминесцентных свойствах 2D структур на основе GaSe (рис. 1) и GaTe, имеющих толщину до 1 элементарной ячейки; исследована оптическая стабильность этих материалов, перспективных для создания новых светоизлучающих приборов видимого диапазона спектра.

Рис. 1. а). 2D структура GaSe толщиной в 1 элементарную ячейку (AFM). b). Результаты измерения толщины этой фольги вдоль черной линии на (а).

2). Исследованы светоизлучающие переходы в ионах Eu, Tb и Tm при комбинированном легировании матрицы Gd₂(MoO₄)₃, что позволило прейти к разработке материалов для конструирования новых экономичных источников света видимого диапазона, на основе более дешевой матрицы литий-боратного стекла (ЛБС). На рис. 2 показаны образцы, сфотографированные при возбуждении люминесценции излучением с длиной волны l_e=365 нм. Важным результатом является получение фотохромных люминесцентных стекол, изменяющих цвет при воздействии УФ излучения (рис. 3) и обладающих полной и мгновенной обратимостью окраски.

Рис. 2. Люминесцентные образцы ЛБС ( l_e=365 нм).

Рис. 3. Изменение окраски фотохромного люминесцентного стекла при относительной интенсивности УФ излучения 25, 50 и 100 % (слева направо).

1. O. Del Pozo-Zamudio, S. Schwarz, M. Sich, A. Akimov, M. Bayer, R.C. Schofield, E.A. Chekhovich, B.J. Robinson, N.D. Kay, O. Kolosov, A.I. Dmitriev, G.V. Lashkarev, D.N. Borisenko, N.N. Kolesnikov, A.I. Tartakovskii. Photoluminescence of two-dimensional GaTe and GaSe films. 2D Materials, 2015, v. 2, 035010.

2. V.V. Sinitsyn, B.S. Redkin, A.P. Kiselev, S.Z. Shmurak, N.N. Kolesnikov, V.V. Kveder, E.G. Ponyatovsky. "White" phosphor on the basis of Gd2(MoO4)3:Eu,Tb,Tm single crystal. Solid State Sciences, 2015, v. 46, p. 80-83.

Фотонные кристаллы в форме сферических микрочастиц

Синтезированы микрочастицы сферической формы размерами от 5 микрон до 50 микрон, сформированные монодисперсными коллоидными частицами SiO2 путем их плотнейшей упаковки в гранецентрированную
кубическую решетку, аналогично опалоподобным структурам. Синтез проводили методом распыления – сушки водной суспензии коллоидных частиц диоксида кремния в воздухе без использования сурфактантов
при комнатной температуре. Такие частицы с контролируемыми размерами и заданной системой пор, специальной структурой и морфологией, перспективны для применения в фотонике, в биологических и химических сенсорах, в катализе, фармакологии и др.

СЭМ изображение микрочастицы диаметром 30 микрон, сформированной из коллоидных частиц SiO2 диаметром 430 нм и спектры отражения от частиц, сформированных коллоидными частицами диаметром 200
нм (λ₂) и 430 нм (λ₄₁).
А.А. Zhokhov, V.М. Masalov, N.S. Sukhinina, D.V. Matveev, P.V. Dolganov, V.K. Dolganov, G.A. Emelchenko, Photonic crystal microspheres, Optical Materials, 49 (2015) 208-212

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

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

Критическое влияние формы тонких пленок NiFe на их свойства.

Критическое влияние формы тонких пленок NiFe на их магнитные свойства. Изучено влияние формы и краев низкоразмерных структурированных магнитных пленок Ni₈₁Fe₁₉ (30нм) (Рис.1) на процессы
их перемагничивания. Кинетика процессов преобразования доменной структуры полос, ширина которых была 30, 10 и 3 мкм (A, B, C на Рис.1), регистрировалась с использованием метода магнитооптической индикаторной пленки. Экспериментально и с помощью микромагнитного моделирования (Рис.2) показано, что решающую роль в формировании неоднородного распределения спинов и мод перемагничивания в тонких магнитомягких пленках играют магнитостатические поля, формируемые на краях полос и вблизи их пересечений. В частности, благодаря этому, в полосах, параллельных приложенному полю, вдоль их сторон формируются связанные пары спиновых вихрей. Обнаружена обратно пропорциональная зависимость критических полей HCR их зарождения от ширины b полос (Рис.3). Установлено, что HCR зависит также от размера d (1–5 на Рис.1) структур, внешних по отношению к изучаемым. Полученные результаты важны при разработке элементов спинтроники (Принята в печать в JMMM).

Плотность фотонных состояний жидкокристаллических фотонных кристаллов

Предложен и реализован метод определения плотности фотонных состояний кирального жидкого кристалла с запрещённой фотонной зоной в диапазоне видимых длин волн. Метод основан на связи разности показателей преломления для волн круговых поляризаций с вращением плоскости поляризации света фотонной структурой. Сопоставление эксперимента с расчётом показало, что групповая скорость света vg в середине запрещённой зоны для образца конечной толщины d превосходит скорость света c в вакууме (v_g≈2.05c). Максимумы плотности фотонных состояний определяют длины волн лазерной генерации в фотонной структуре.

Плотность фотонных состояний холестерического фотонного кристалла (сплошная линия), нормализованная на плотность состояний в структуре без фотонной зоны ρ0. Пунктирная кривая – рассчитанная плотность фотонных состояний. Вертикальные прямые – границы фотонной запрещённой зоны. d=5.8 мкм. (Phys. Rev. E 91, 042509 (2015)).

Формирование вихревого движения волнами на поверхности воды.

Впервые наблюден новый механизм формирование вихревого движения волнами на поверхности воды. Экспериментально установлено, что генерация вихрей в ячейке не является особенностью Фарадеевских волн. Показано, что в квадратной ячейке и в цилиндрической ячейке с нарушенной симметрией вихри формируются при амплитудах переменного вертикального ускорения ниже уровня параметрической неустойчивости. Доказано, что формирование вихревого движения в ячейке конечных размеров обусловлено взаимодействием распространяющихся поверхностных волн, имеющих неколлинеарные волновые вектора. (Письма в ЖЭТФ (2015), 102, 486-490)

Рис. 1. Схема эксперимента

Рис.2. Вихревая структура на поверхности воды,
образованная стоячими волнами.

На рис. 1 показана схема экспериментов. Регистрация вихревого движения проводилась фотоаппаратом 2 со вспышкой 1.

Поверхность декорировалась полыми стеклянными шариками 3. Квадратный сосуд с водой 5 со стороной 50 мм крепился к платформе 6, которая совершала в вертикальном направлении гармонические колебания. Амплитуда колебаний платформы и частота задавались внешним генератором. Ускорение измерялось акселерометром, прикрепленным к стенке сосуда.

На рис. 2 приведено распределение завихренности на поверхности воды в квадратной ячейке в результате взаимодействия стоячих волн, возникающих при накачке на частоте 45.5 Гц с ускорением 0.44g. Участки красного и синего цвета имеют завихренность (знак rot(v)) противоположного знака. Модуль завихренности растет с повышением амплитуды волн по степенному закону.

Теоретическая модель наблюденного явления построена сотрудниками ИТФ РАН. Теория и экспериментальные результаты находятся в хорошем согласии.


				27.04.2024