Физика твердого тела

Ученые ФИАН измерили энтропию нанообъектов

2015-07-08T18:01:36+03:00

Сотрудниками ФИАН придуман и реализован способ измерения энтропии нанообъектов.

Энтропия является фундаментальной характеристикой любых систем, состоящих из многих частиц, показывающей число микро-соcтояний, которыми может быть реализована система. Чем больше температура, тем больше у системы степеней свободы, тем больше её энтропия.

Измерения энтропии в реальных образцах обычно проводятся калориметрическими методами: количество тепла, затраченное для нагревания образца на один градус пропорционально возрастанию его энтропии. Такой традиционный метод измерения имеет сильные ограничения, так как количества тепла для микро- и нанообъектов настолько малы, что находятся на пределе разрешающей способности самых точных калориметров. Более того, обычная калориметрия позволяет лишь измерить разницу энтропий при двух температурах, и не даёт возможности измерить абсолютное значение энтропии. Наконец, «головная боль» всех калориметрических измерений с тонкими пленками состоит в необходимости устранения вклада теплоемкости подложки в измеряемую теплоемкость пленки.

Метод, предложенный сотрудниками Центра высокотемпературной сверхпроводимости и наноструктур ФИАН, позволяет существенно обойти эти недостатки и измерять энтропию двумерных систем, толщина которых не превосходит несколько нанометров. В основе метода лежит принципиально отличный подход: измеряется не количество тепла, а ток перезарядки структур типа «конденсатор», одной из обкладок которого является изучаемая тонкая пленка или ее предельный случай – двумерная система зарядов.

Созданная установка позволяет проводить измерения при низких температурах (от 2 до 25 К) и в магнитных полях до 9 Тесла. Чувствительность метода более чем на три порядка превышает чувствительность лучших калориметров, что позволяет различать тонкие особенности квантования спектра двумерной системы в магнитном поле и проявления межчастичных взаимодействий. Использование нового подхода позволило впервые измерить абсолютное значение энтропии для двумерной системы электронов на границы Si и SiO₂ и ее необычные изменения с магнитным полем и температурой.

Фрагмент установки с образцом двумерной системы электронов

В дальнейшем исследователями планируется увеличить точность метода и применять его к новым системам, энтропия которых ещё не исследовалась экспериментально: графену, топологическим изоляторам, а также к изучению термодинамики квантовых фазовых переходов, таких, например, как переход сверхпроводник-изолятор и т.д.

По материалам АНИ «ФИАН-информ»

________________________

От редакции. Более подробно о данной работе можно узнать из публикации в журнале Nature Communications.

Открыт ключевой механизм поддержания вакуумного дугового разряда

2015-04-14T15:13:24+03:00

Было обнаружено, что в процессе вакуумного дугового разряда, в структуре катодного пятна, возникают отдельные ячейки, живущие миллиардные доли секунды, но определяющие все основные свойства дугового разряда. Серии экспериментов подтвердили выдвинутое академиком Г.А. Месяцем предположение о том, что в основе механизма функционирования ячеек катодного пятна лежит электрический взрыв жидкометаллических струй.

Вакуумная дуга была открыта в начале 19-го века русским ученым академиком В. Петровым. Несмотря на широкое практическое использование и долгую историю исследований вакуумного дугового разряда механизм его функционирования и в настоящее время остается предметом дискуссии и споров.

Разряд этого типа обладает такими характерными свойствами, как низкое напряжение горения разряда, большая плотность тока в области катодной привязки разряда, высокая концентрация заряженных частиц в прикатодной области, наличие порогового тока зажигания, самопроизвольное погасание разряда и т.д.

Многочисленными экспериментами установлено, что все своеобразие вакуумной дуги практически целиком связано с процессами в небольшой, ярко светящейся области на катоде, посредством которой осуществляется токоперенос между катодом и межэлектродным промежутком. Эта область получила название катодного пятна и включает в себя активную часть поверхности катода, нагретую до температур, намного превышающих температуру плавления материала катода, и плотную прикатодную плазму, образующуюся в результате испарения активной части.

Трудности исследования процессов в катодном пятне объясняются тем, что катодные пятна чрезвычайно быстро, со скоростью 100 м/c, перемещаются по поверхности катода, а размеры пятна составляют миллионные доли метра. При этом вещество катода в зоне пятна находится в твердом, жидком, газообразном и плазменном состояниях. Кроме этого, само катодное пятно обладает внутренней структурой, проявляющейся в существовании отдельных ячеек пятна, время жизни которых составляет миллиардные доли секунды. Именно процессами в отдельной ячейке пятна определяются все основные свойства вакуумного дугового разряда.

Г.А. Месяцем было высказано предположение о том, что в основе функционирования ячейки катодного пятна лежит электрический взрыв жидкометаллических струй, приводящий к инициированию взрывной электронной эмиссии. Это предположение лежит в основе предложенной им эктонной модели катодного пятна вакуумной дуги.

Непосредственное наблюдение процесса формирования и взрыва жидкометаллических струй при горении вакуумной дуги представляет собой очень сложную задачу ввиду малых временны′х и пространственных масштабов этих процессов. В связи с этим учёными ФИАНа и Института электрофизики Уральского отделения РАН было проведено исследование эрозионных структур на катоде, образующихся в результате функционирования катодного пятна, для того, чтобы идентифицировать застывшие струи, определить их среднюю массу и сравнить с массой, образующейся плазмы, величина которой известна из экспериментов.

Эксперименты проводились при малых токах горения дуги, чтобы количество одновременно функционирующих ячеек катодного пятна было минимальным. Результаты экспериментов приведены на рисунках 1-4.

Рисунок 1. Типичные геометрические размеры и форма застывших жидкометаллических струй при токах дуги, близких к пороговым

Из рисунка 1 видно, что след катодного пятна содержал достаточно большое количество застывших жидкометаллических микронеоднородностей, в том числе в виде струй.

То, что струи микронного размера представляют собой финальную стадию их формирования, иллюстрирует рисунок 2, на котором видны неоторвавшиеся капли.

Рисунок 2. Застывшие жидкометаллические струи с не оторвавшимися каплями

Длина наиболее развитых струй имеет микронные размеры. На рисунке 3 приведено их распределение по массе, оцененной из геометрических размеров.

Рисунок 3. Распределение жидкометаллических струй по их массе

Обработаны изображения 50 струй, застывших на поверхности вольфрамового катода при околопороговых токах. При этом учитывались микронеоднородности именно в виде струй, не сглаженных под действием силы поверхностного натяжения.

Оказалось, что средняя масса жидкометаллической струи составляет примерно 2 триллионные доли грамма, что соответствует массе катода, перешедшего в плазменное состояние при функционировании отдельной ячейки катодного пятна, определенной другими независимыми методами.

Геометрическая форма и размеры струй, приведенные на рисунках 1 и 2, таковы, что инициирование нового взрывоэмиссионного центра или ячейки пятна происходит в течение достаточно короткого времени (миллиардные доли секунды) при ее взаимодействии с плотной прикатодной плазмой.

Параллельно с анализом эрозионных структур на катоде учеными было проведено исследование свечения катодного пятна с высоким временным разрешением (миллиардные доли секунды).

На рисунке 4 приведены результаты этого исследования для условий эксперимента по изучению эрозионных структур на катоде.

Рисунок 4. Свечение катодного пятна при околопороговых токах

Хорошо видно, что генерирование плазмы (вспышки света) имеет циклический характер. Эти вспышки различаются по интенсивности и длительности вследствие различной массы взрывающихся жидкометаллических струй. Среднее время цикла составляет 25 нс, что и является средним временем жизни ячейки катодного пятна.

Какова же тогда причина гибели ячейки?

Дело в том, что на жидкометаллическую прослойку в зоне катодного пятна действует реактивная сила испускаемой струи плазмы. Причем, давление, оказываемое струей, может достигать нескольких тысяч атмосфер. Под действием этого давления жидкометаллическая фракция катодного пятна и выбрасывается в виде струй и капель из зоны функционирования ячейки. Выброс жидкого металла приводит к резкому падению температуры в этой области и прекращению процесса генерации катодной плазмы.

Скорость роста струй, оцененная по результатам экспериментов, составляет величину порядка 100 м/c.

Возникновение этих жидкометаллических струй, приводящее к гибели ячейки пятна, является одновременно и инициированием новой ячейки катодного пятна, поскольку ее взаимодействие с плазмой, рожденной в процессе функционирования погибшей ячейки, приводит к инициированию нового микровзрыва. Следовательно, ячейка пятна, прежде чем погибнуть, готовит условия для рождения новой.

Таким образом, горение вакуумного дугового разряда представляет собой последовательный процесс рождения и гибели ячеек катодного пятна вакуумной дуги.

По словам старшего научного сотрудника Лаборатории вакуумной и плазменной электроники ФИАН Сергея Александровича Баренгольца,

«…проведенный анализ эрозионных структур на катоде вакуумной дуги подтвердил высказанное ранее Г.А. Месяцем предположение о ключевой роли жидкометаллической фазы катодного пятна в функционировании и самоподдержании дугового разряда».

В. Жебит, АНИ «ФИАН-Информ»

Метаматериалы будущего

2015-03-24T15:52:32+03:00

Исследования в области плазмоники и метаматериалов развиваются в направлении создания моделей, обладающих уникальными электромагнитными свойствами. Новые материалы сочетают в себе свойства известных ранее фотонных кристаллов и метаматериалов. О моделях гиперболических метаматериалов, мультимасштабных метаповерхностях и мембранах на семинаре в ФИАН рассказал старший научный сотрудник DTU Fotonik, Technical University of Denmark Сергей Жуковский.

Впервые идея сверхматериалов, которые обладали бы не существующими в природе свойствами, была выдвинута В.Г. Веселаго в 1967 году. Однако бурное развитие она получила только через несколько десятилетий. Концепция создания искусственных материалов заключается в том, что за счёт сложной структуры они приобретают экзотические электромагнитные свойства.

До последнего времени были известны такие структуры, как фотонные кристаллы и метаматериалы. Размеры элементов в фотонных кристаллах сопоставимы с длиной волны λ. Периодическая диэлектрическая среда кристалла действует на фотоны так же, как кристаллическая решётка твердого тела на заряженные электроны. В материале возникает запрещённая зона, в пределах которой не может распространяться свет. Такая особенность роднит фотонные кристаллы с полупроводниками и диэлектриками. Фотонные кристаллы открыли новые возможности для создания волноводов, резонаторов и микролазеров.

В отличие от фотонных кристаллов, размеры элементов метаматериалов во много раз меньше длины волны λ. Благодаря этому они обладают не существующими в природе свойствами – например, отрицательным показателем преломления. Комментирует Сергей Жуковский:

«Почему это интересно? Количество материалов в природе огромно, но, тем не менее, оно ограничено: несмотря на все их разнообразие, нам приходится довольствоваться лишь теми свойствами, которые даны природой. Метаматериалы же можно конструировать до бесконечности, и создавать структуры с необычными свойствами, в соответствии со своими потребностями. Например, с какими-то редко встречающимися либо вообще отсутствующими в природе свойствами».

До последнего времени учёные не рассматривали возможность создания структур, которые могли объединить свойства фотонных кристаллов и метаматериалов. Однако недавние исследования показали, что это возможно в мультимасштабных гиперболических метаматериалах, мультмасштабных метаповерхностях и мембранах.

Концепция фотонных кристаллов, мультимасштабных метаматериалов

В мультимасштабных гиперболических метаматериалах происходит сочетание структур, с элементами размерами, примерно равными длине волны, и элементами с размерами много меньше длины волны. Такой подход позволяет расширить функциональность получаемых материалов, увеличить их производительность и т.д.

Гиперболические метаматериалы: многослойная периодическая структура и структура из наностержней. Размеры слоев и стержней – много меньше длины волны.

Рассказывает Сергей Жуковский:

«Достаточно привлекательным моментом в гиперболических метаматериалах является их простая геометрия по сравнению с другими метаматериалами. Это позволяет избежать различных "побочных эффектов", например узкополосного резонанса».

Необычные свойства таких структур объясняются поведением особых волн – объёмных плазмонных поляритонов, которые возбуждаются в глубине гиперболического метаматериала под воздействием света. Учёные из DTU Fotonik нашли способ, как управлять поведением плазмонных поляритонов. Это возможно в многослойных структурах с чередованием слоев.

Гиперболический метаматериал с двумя уровнями структурирования

Основная «изюминка» гиперболических метаматериалов – их «неопределенность»: они ведут себя как металлы в одних направлениях и как диэлектрики – в других. Такие материалы могут применяться для создания тёмных нерассеивающих поверхностей, в гиперлинзе и для оптической симуляции пространственно-временных феноменов. Особенность этих материалов заключается в том, что они могут хорошо поглощать волны вне зависимости от их длины, иными словами, независимо от цвета. Как объяснил С. Жуковский,

«Одна из идей использования метаматериалов и их оптических свойств состоит в том, чтобы добиться уменьшения видимости объектов или создания зрительной иллюзии формы или размера объекта»

Возможности применения гиперболических метаматериалов

Пропускание света с различным волновым вектором гиперболическими метаматериалами

Учёные из DTU Fotonik вместе с коллегами из ФИАН провели исследование фотоэмиссии из наночастиц, организованных в структуру метаматериала. Рассказывает один из участников исследования, ведущий научный сотрудник ФИАН Александр Васильевич Усков:

«Мы исследовали, какую роль играют эффекты мультимасштабности в фотоэмиссии из наночастиц. Основная идея заключалась в сочетании субволновых частиц с объединением их в решётку с периодом около длины волны. В таком случае происходит сочетание индивидуального плазмонного резонанса самой наночастицы и коллективного резонанса решётки. В результате мы обнаружили возрастание фототока в мультимасштабной метаповерхности. Полученные нами результаты могут дать ключ к дальнейшим экспериментам по оценке вкладов поверхностных и объемных фотоэлектрических эффектов в общий фототок».

Фотоэмиссия из наночастиц (источник)

На сегодняшний день налажено производство фотонных кристаллов. Выпускать метаматериалы значительно сложнее. Пока можно наладить производство только некоторых из них и небольших размеров. Однако у них есть большие перспективы. Как пояснил Сергей Жуковский,

«Пока теоретические исследования в этой области значительно опережают практику. В перспективе возможно исследование поведения метаматериалов под воздействием радиоволн и терагерцового излучения. Можно сказать, мы в начале пути изучения гиперболических метаматериалов. Ясно, что такие структуры открывают уникальные возможности по их применению. Новые технологии, при их дальнейшем развитии, можно будет использовать, например, в медицинских сканерах и сканерах для систем безопасности в аэропортах»

И. Герасимова, АНИ «ФИАН-информ»

Гигантский фотогальванический эффект в плазмонных метаматериалах

2015-03-17T14:46:53+03:00

В ходе исследования фотоэмиссии «горячих» электронов из плазмонных наноантенн обнаружена возможность реализации гигантского фотогальванического эффекта в метаматериалах с плазмонными наноантеннами нецентросимметричной формы ^[1]. О проводимых исследованиях, полученных результатах и международном сотрудничестве в данной области АНИ «ФИАН-информ» рассказал ведущий научный сотрудник ФИАН Александр Васильевич Усков.

Явление фотоэффекта – эмиссия (испускание) электронов из вещества при облучении его светом – известно довольно-таки давно. Считается, что первым, кто наблюдал фотоэффект из металла в 1887 г., был Г. Герц. Огромный вклад в теорию фотоэффекта внес А.Г. Столетов, который в результате систематических экспериментальных исследований в 1888-1890 гг. сформулировал его законы. В 1921 г. А. Эйнштейн получил Нобелевскую премию «за вклад в теоретическую физику, и особенно за открытие закона фотоэлектрического эффекта». И.Е. Тамм и С.П. Шубин сформулировали в 1931 г. квантово-механическую теорию поверхностного фотоэффекта. Однако, несмотря на столь почтенный возраст и «биографию», фотоэффект по-прежнему остается одним из наиболее интересных и активно исследуемых физических явлений.

При фотоэффекте электроны металла поглощают кванты света (фотоны) и становятся «горячими». Если электроны достаточно «горячие», они могут покинуть металл – имеет место фотоэлектронная эмиссия из металла (или просто фотоэффект).

Последние несколько лет в ФИАНе проводятся исследования фотоэмиссии из металлических наночастиц. Интерес к этим объектам обусловлен, прежде всего, тем, что при облучении светом таких наночастиц возможно резонансное возбуждение в них локализованных плазмонов, и тогда эмиссия электронов из наночастиц проходит гораздо эффективнее^[2], чем, например, из металлических пленок в обычных фотодетекторах Шоттки. Металлические наночастицы, в которых возможно возбуждение локализованных плазмонов, часто называют «плазмонными наноантеннами». В ФИАНе исследования фотоэффекта из плазмонных наноантенн проводятся сотрудниками Сектора Теоретической РадиоФизики – старшим научным сотрудником Игорем Евгеньевичем Проценко и ведущим научным сотрудником Александром Васильевичем Усковым – в сотрудничестве с учёными из НИИ Приборов Росатома, Technical University of Denmark, Tyndall National Institute (Cork, Ireland), Institute of Physics (Chinese Academy of Science) и Laser Zentrum (Hannover, Germany).

Наночастицы (обычно из золота или серебра) располагаются на границе полупроводника (например, из кремния). Золото и серебро обладают свойствами, обеспечивающими эффективное возбуждение локализованных плазмонов в видимом и ближнем инфракрасном диапазонах световых волн, – наиболее интересных для фотоники и фотовольтаики. После поглощения фотона электроны могут преодолеть барьер Шоттки между металлом и полупроводником и перейти в полупроводник. Таким образом, появляется возможность получения электрического тока в структуре.

(a) Схема фотоэмиссии «горячего» электрона с поверхности металла в полупроводник через барьер Шоттки; (b)-(с) Плазмонные наноантенны в форме цилиндра, усечённого конуса и конуса с острием (источник)

Оказалось, что эффективность фотоэффекта и другие свойства фотоэмиссии зависят от формы наночастиц, в частности, от того, являются наночастицы центросимметричными или нет. Учёные провели расчёты фотоэмиссии для центросимметричных (цилиндрических) и нецентросимметричных (конусообразных) наночастиц. Исследования показали, что при облучении центросимметричных наночастиц «горячие» электроны разлетаются в разные стороны так, что ток эмитированных электронов, усредненный по всем направлениям, оказывается равным нулю. Однако в случае с нецентросимметричными частицами эмиссия электронов может порождать направленный электрический ток в среде, т.е. возникает фотоэдс. Поскольку фотоэдс, возникающая в таком метаматериале с нецентросимметричными плазмонными наноантеннами, может существенно превышать фотоэдс, наблюдаемую в обычных средах без центральной симметрии^[3], это явление, впервые теоретически предсказанное исследователями из ФИАН с коллегами, назвали гигантским плазмонным фотогальваническим эффектом.

Зависимость направленности тока фотоэмиссии из конической наноантенны от её коничности (источник)

Комментирует Александр Васильевич Усков:

«При освещении металлической наночастицы (плазмонной наноантенны) можно добиться бо́льшего фотоэффекта в сравнении с фотоэффектом из плоской границы металла, в том числе за счёт увеличенного электромагнитного поля внутри и вокруг такой частицы.

Сейчас наблюдается огромный интерес к фотоэлектронной эмиссии из наноантенн. Один из наших интересных и оригинальных результатов состоит, в том, что мы предсказываем гигантский фотогальванический эффект в плазмонных метаматериалах с наночастицами нецентросимметричной формы».

В ФИАНе планируют продолжить исследования других материалов и частиц других геометрий. По словам учёных, усиленная фотоэмиссия из плазмонных наноантенн может быть применена не только в фотонике и фотовольтаике, но также и в фотоэлектрохимии, фотохимии и, в частности, для расщепления воды (т.е., в водородной энергетике) – во всех тех областях науки и технологии, где задействованы «горячие» электроны.

И. Герасимова, АНИ «ФИАН-информ»

_____________________________________

[1] Zhukovsky, S. V., Babicheva, V. E., Evlyukhin, A. B., Protsenko, I. E., Lavrinenko, A. V., &Uskov, A. V. (2014). Giant Photogalvanic Effect in Noncentrosymmetric Plasmonic Nanoparticles. Physical Review X, Vol. 4(3), 031038 (2014). К тексту

[2] Brongersma M.L., Halas N.J., Nordlander P. Plasmon-induced hot carrier science and technology. Nature Nanotechnology, 10, 25–34 (2015).

Проценко И. Е. , Усков А. В. Фотоэмиссия из металлических наночастиц // Успехи физических наук. 2012. Т. 182. №. 5. С. 543-554.

Uskov, A. V., Protsenko, I. E., Ikhsanov, R. S., Babicheva, V. E., Zhukovsky, S. V., Lavrinenko, A. V., ... &Xu, H. (2014). Internal photoemission from plasmonic nanoparticles: comparison between surface and volume photoelectric effects. Nanoscale, 6(9), 4716-4727. (2014).

К тексту

[3] Sturman B.I., Fridkin V.M., The Photovoltaic and Photorefractive Effects in Noncentrosymmetric Materials (Gordon and Breach, Philadelphia, 1992) К тексту

Объяснено поведение распространенных сегнетоэлектриков

2012-06-15T17:00:00+04:00

Природа фазового перехода в титанате бария вызывает разногласия еще с конца 60 годов. В проделанной работе сотрудники ФИАН доказывают, что необходимости в изощренных объяснениях нет. Проведенные исследования дают основание трактовать фазовый переход в титанате бария как обычный переход типа смещения.

Сегнетоэлектрические свойства титаната бария (BaTiO3) были открыты в ФИАНе в 1944 году. Это соединение представляет собой диэлектрик со структурой типа перовскита. Перовскит представляет собой структуру типа ABO3 - в вершинах элементарной ячейки расположены атомы А (для титаната бария это ионы бария), в центре ячейки сидит В (титан), а на гранях размещаются ионы кислорода - О. При температуре выше 120оС BaTiO3 — параэлектрик с кубической элементарной ячейкой. При понижении температуры соединения происходит ряд фазовых переходов в тетрагональную, орторомбическую и ромбоэдрическую сегнетоэлектрические фазы, в которых элементарная ячейка титаната бария обладает электрическим дипольным моментом. В кристалле появляется спонтанная поляризация, которая может быть переориентирована внешним электрическим полем. Подобные свойства делают сегнетоэлектрические перовскиты перспективными материалами для элементов памяти. Кроме того титанат бария давно используется в конденсаторах, а также в качестве материала для пьезоэлектрических микрофонов и пьезокерамических излучателей.

Схематическое изображение элементарной ячейки перовскита со структурой ABO3.
Слева – модель перовскита с фазовым переходом типа смещения.
Справа – «восьмиузельная» модель с фазовым переходом типа порядок-беспорядок.

Однако природа фазового перехода в BaTiO3, а также во многих других перовскитах, была поставлена под вопрос в конце 60х годов и до сих пор остается предметом спора. Начало положили работы, в которых сообщалось о наблюдении некоторых аномалий рассеяния рентгеновских лучей в кубической фазе титанате бария и схожем с ним по структуре ниобате калия.

«Если облучать кристалл рентгеном, то на фотопленке мы увидим набор точек (брэгговские пики), вследствие диффракции отраженных от атомных плоскостей лучей. Полученные картины дают представление о кристаллической структуре соединения. Из-за тепловых движений атомов эти пики размываются. В случае с титанатом бария или ниобатом калия это будут не просто равномерно расплывшиеся пятна, пики расплывутся в определенных направлениях, что говорит о наличии в кристалле характерных скореллированных движений ионов. Природа таких особенностей динамики ионов в перовскитах и есть предмет спора», - рассказывает один из авторов работы, которая принята к публикации в журнале ЖЭТФ (вып.7, том 141, 2012 г.) кандидат физико-математических наук Никита Мацко.

Впоследствии были обнаружены и другие свидетельства наличия в кристалле характерных скоррелированных колебаний ионов.
Многие исследователи объясняли наблюдаемые особенности как свидетельства наличия в перовскитах сдвига положения равновесия атома B из центра элементарной ячейки уже в кубической фазе («восьмиузельная» модель). В этой модели сдвиг атома типа B в каждой ячейке связан со сдвигами атомов B в соседних ячейках.
Подобная модель объясняла некоторые особенности в поведении перовскитов, но принципиально не могла объяснить происхождение ряда других экспериментов. Кроме того остается не ясным, что может приводить к существованию 8 положений равновесия центрального атома в элементарной ячейке.
Член-корреспондент РАН Евгений Григорьевич Максимов с самого начала стоял на том, что никаких изощренных моделей перовскитов придумывать не стоит. Вместо этого нужно последовательно рассмотреть динамику ионов в кристалле, учитывая характерные для подобных соединений анизотропию и затухание фононов (собственных колебаний кристаллической решетки) мягкой моды. К мягкой моде относятся поперечные оптические колебания, частота которых стремится к нулю при приближении к точке фазового перехода. Именно такую задачу поставил Е.Г. Максимов своему аспиранту Никите Мацко в 2008 году. Выпуска завершающей данную тему публикации Евгений Григорьевич не застал, но его правота в ней ясно доказывается.
В работах Е.Г. Максимова и Н.Л. Мацко было показано, что экспериментально наблюдаемые особенности в перовскитах объясняются анизотропией мягкой моды в модели перехода типа смещения. Если последовательно проследить за поведением отдельных атомов, то атом B совершает колебания вокруг центра кубической ячейки, при этом амплитуда колебаний ионов кислорода в направлении на ближайший ион B заметно больше, чем в других направлениях. Это приводит к характерному виду распределения относительных смещений ионов и поляризации элементарной ячейки. Наблюдаемые аномалии связаны не со смещением положения равновесия иона B (как в «восьмиузельной» модели), а с особенностями квазиодномерных колебаний иона кислорода. Сильное дипольное взаимодействие между ионами кислорода и центральным ионом B приводит к скореллированным движениям цепочек O-B-O-. Таким образом, характерная динамика ионов в рассматриваемых соединениях связана с квазиодномерными колебаниями ионов кислорода, что было впервые продемонстрировано физиками из ФИАНа.

АНИ «ФИАН-информ»

Впервые измерена энергетическая щель в «железном» высокотемпературном сверхпроводнике GdFeAsO(F)

2011-12-15T15:55:02+04:00

В результате совместной работы коллектива исследователей Физического института им. П.Н. Лебедева РАН, Института физики высоких давлений им. Л. Ф. Верещагина РАН и химического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова был синтезирован «железный» сверхпроводник GdFeAsO(F) с критической температурой 53К.
Сотрудники ФИАНа и физического факультета МГУ впервые провели измерения спектров андреевского отражения в микроконтактах сверхпроводник — нормальный металл — сверхпроводник (S-N-S), образующихся на микросколе в образце такого сверх-проводника при температуре 4.2K. Полученные данные свидетельствуют о наличии двухщелевой сверхпроводимости. Рассказывает руководитель отдела высокотемпера-турной сверхпроводимости и сверхпроводниковых наноструктур ФИАН, доктор физико-математических наук Владимир Пудалов.

В 2008 году был открыт новый класс высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП) на основе FeAs. Открытие было совершенно непредвиденным событием и стиму-лировало интенсивные исследования этих материалов. Оно разрушило бытовавшее более 20 лет мнение, что высокотемпературная сверхпроводимость является исключительным свойством купратов. Более того, сверхпроводящими оказались соединения железа – ти-пичного атома, порождающего магнетизм, то есть явления, которое ранее рассматрива-лось как антагонист сверхпроводимости. К настоящему времени синтезированные ВТСП материалы на основе FeAs насчитывают как минимум шесть классов. Наиболее высокими критическими температурами отличается класс «1111» REFeAsO(F) (где RE=La,Sm,Dy,Gd,Eu,Ce). В стехиометрическом составе, многокомпонентные ВТСП со-единения, как правило, или не проявляют сверхпроводящих свойств, или обладают не очень высокой критической температурой. Однако, варьируя концентрацию атомов фтора x, замещающего атомы кислорода, или вводя недостаток атомов кислорода, можно значи-тельно увеличить критическую температуру. Наивысшее значение Tc = 54K получено при оптимизированном дефиците по кислороду x = 0.2 в SmFeAsO1−x. Уже в 2009 году спе-циалисты ФИАНа, ИФВД РАН и химического факультета МГУ синтезировали сверхпро-водник GdFeAsO(F) практически с той же критической температурой 53К.
Эти соединения представляют огромный интерес для исследователей. Ведь сущест-вуют теоретические предположения, что сверхпроводимость в них вызвана магнитными флуктуациями. Другая их особенность заключается в комбинации магнитного упорядо-чения и сверхпроводящего спаривания в одном и том же материале. И наконец, третьей особенностью является не встречавшаяся ранее в природе симметрия параметра порядка. В сверхпроводнике, как известно, носители заряда (электроны или дырки) с противопо-ложным направлением импульса объединяются в пары и конденсируются в энергетиче-ски более выгодное коллективное состояние т.н. «куперовских пар». Согласно знамени-той теории нобелевского лауреата академика В.Л. Гинзбурга, коллективное сверхпрово-дящее состояние характеризуется параметром порядка. Коллективное состояние конден-сата расположено по энергии ниже состояний обычных электронов или дырок (возбужде-ний) в данном материале на величину так называемой энергетической щели Δ. Таким об-разом, чтобы разрушить сверхпроводимость (то есть разорвать пары), необходимо при-ложить энергию, не меньшую, чем энергия разрыва пар 2Δ. Например, надо повысить температуру вплоть до критической температуры Tc, при которой щель исчезает до нуля. В обычных низкотемпературных сверхпроводниках параметр порядка является изотроп-ным, что в физике сверхпроводимости, по аналогии с атомной физикой, классифицирует-ся как симметрия s-типа. Это означает, что энергетическая выгода образования пары не зависит от направления импульса электронов, входящих в состав куперовской пары (в этом просматривается аналогия с симметрией первой заполненной оболочки электронов в атоме гелия). После открытия высокотемпературных сверхпроводников в 1986 году фи-зики столкнулись с новым типом симметрии параметра порядка: оказалось, что в ВТСП материалах щель резко анизотропна и для некоторых направлений импульса обращается в ноль; по той же аналогии с атомной физикой этот тип симметрии был назван d-волновым. В настоящее время ключевыми исследуемыми вопросами для новых «желез-ных» ВТСП материалов являются (а) механизм спаривания, (б) симметрия параметра по-рядка, (в) величина и анизотропия сверхпроводящих щелей в энергетическом спектре.
Целый ряд экспериментальных данных указывает на то, что «железные» ВТСП мате-риалы являются многозонными сверхпроводниками. Исследования методом ядерного магнитного резонанса однозначно показали, что в соединениях класса «1111» электроны в куперовской паре имеют противоположное направление спина, так что суммарный спин пары равен нулю. Симметрия же параметра порядка в таких соединениях остается неяс-ной и требует экспериментального исследования. Многие исследователи предполагают существование иного типа симметрии: s-типа в каждом из двух конденсатов, но с отли-чающимися знаками, то есть s- типа. Если это предположение оправдается, то мы будем иметь дело с не встречавшимся ранее в природе типом симметрии парамтера порядка. С механизмом спаривания тесно связана величина и структура сверхпроводящей щели . Но этот параметр определяется почти исключительно в экспериментах по микроконтакт-ной спектроскопии. Данные же микроконтактной спектроскопии на подобных материалах пока скудны и зачастую противоречивы. А для GdFeAsO(F) измерения щели до сих пор вообще не проводились.
Сотрудники физического факультета МГУ и ФИАНа провели измерения спектров андреевского отражения при температуре 4.2K в микроконтактах сверхпроводник—нормальный металл—сверхпроводник (S-N-S), образующихся на криогенном микросколе в образце GdFeAsO0.88F0.12. Полученные данные свидетельствуют о двухщелевой сверх-проводимости; возможно даже существование третьей щели в спектре сверхпроводника. Значения двух щелей составляют L = (10.52) мэВ и S = (2.3 0.4) мэВ. Оценка отноше-ния 2L/kTc = 4.8 (для Tc=53K) превышает стандартное значение 3.52 в теории БКШ для однощелевого сверхпроводника в пределе слабой связи, тогда как для малой щели отно-шение 2S/kTc = 1.1 меньше стандартного БКШ значения. Учитывая также нормальный знак изотопического эффекта для Fe, полученные значения 2L,S/kTc указывают на то, что в этом сверхпроводнике в дырочных зонах, возможно, имеетcя сильная электрон-фононная связь, а значение 2S/kTc для малой щели определяется наличием межзонной связи.

Результаты работ опубликованы:

1. E.P. Khlybov, O.E. Omelyanovsky, A. Zaleski, A. Sadakov, D.R. Gizatulin, L.F. Kulikova, I.E. Kostyleva, V.M. Pudalov, Письма в ЖЭТФ 90 (5), 429 (2009).
2. T.E. Shanygina, Ya.G. Ponomarev, S.A. Kuzmichev, M.G. Mikheev, S.N. Tchesnokov, O.E. Omel'yanovskii, A.V. Sadakov, Yu.F. Eltsev, A.S. Dormidontov, V.M. Pudalov, A.S. Usol'tsev, E.P. Khlybov, Письма в ЖЭТФ, 93(2), 95 (2011).
3. В.М. Пудалов, О.Е. Омельяновский, Е.П. Хлыбов, А.В. Садаков, Ю.Ф. Ельцев, К.В. Мицен, О.М. Иваненко, К.С. Перваков, Д.Р. Гизатулин, А.С. Усольцев, А.С. Дорми-донтов, С.Ю. Гаврилкин, Я.Г. Пономарев, Т.Е. Шаныгина, “В.Л. Гинзбург и развитие в ФИАН экспериментальных работ по высокотемпературной сверхпроводимости: Же-лезные сверхпроводники”, УФН, т. 181, № 6, 672 (2011).

АНИ «ФИАН-информ»

___________________________________________________
Прим.:
Запрещенная зона (энергетическая щель) — область значений энергий в энергетическом спектре кристалла, которыми не могут обладать электроны, фононы или другие квазича-стицы. Запрещенная зона отделяет одну разрешенную зону от другой. Например, запре-щенная зона встречается в полупроводниках, где она отделяет валентную зону от зоны проводимости. Ширина Eg определяет электрические и оптические свойства полупровод-ников.
Андреевское отражение — процесс отражения электрона, падающего из нормального металла на границу со сверхпроводником, при котором электрон превращается в дырку. Названо по имени Александра Федоровича Андреева, теоретически предсказавшего такой тип отражения в 1964 году.

ДОСТИГНУТА РЕКОРДНАЯ ТОЧНОСТЬ ИЗМЕРЕНИЯ ОПТИЧЕСКИХ ЧАСТОТ В АТОМЕ ВОДОРОДА

2011-11-15T15:40:31+04:00

Достигнута рекордная точность измерения частот оптических переходов в атоме водорода на уровне единиц пятнадцатого знака. Измерение позволило наложить ограничение на дрейф постоянной тонкой структуры α, а также открыло возможность уточнить постоянную Ридберга.

Эксперименты проводились в Институте квантовой оптики Общества Макса Планка (Гархинг, Германия). Авторы работы — ведущий научный сотрудник лаборатории оптики активных сред ФИАН доктор физико-математических наук Николай Колачевский и специалисты группы нобелевского лауреата Теодора Хенша.
Полученный результат важен не только для фундаментальной науки, но и для практических приложений в современной метрологии.

Можно ли с помощью тонких высокоточных измерений достичь чувствительности к дрейфу фундаментальных констант, сопоставимой с результатами астрофизических наблюдений?
В Стандартной модели есть набор из примерно 30 входящих параметров — фундаментальных констант. Это измеряемые величины, но происхождение их в рамках существующих теорий неизвестно, это за пределами понимания современной физики. Одна из констант, знаменитая постоянная тонкой структуры α, привлекала внимание исследователей со времен П. Дирака. Постоянная тонкой структуры α  1/137 —безразмерная величина, характеризующая электромагнитные взаимодействия. Она определяет течение всех электромагнитных процессов — и в атомах, и в ядрах — и входит в большинство физических параметров. Почему ее значение примерно равно 1/137 и чем оно определяется? Насколько это число постоянно? Меняется ли оно во времени и в пространстве? Принцип Эквивалентности Эйнштейна запрещает ее изменение, но теории объединения допускают дрейф во времени и пространстве. Отличалась ли α от ее значения в момент образования Вселенной, когда масштаб энергий был намного больше сегодняшнего, и можем ли мы увидеть отголоски тех событий в лабораторных экспериментах? Ответов на эти вопросы пока нет.
Можно действовать разными путями. Например, измерить значение α и проследить, как оно меняется во времени. Точность определения α достигла единиц десятого знака, и, казалось бы, проводя измерения в течение 10 лет, можно уже достичь внушительной чувствительности к ее изменениям. Однако, существуют величины, допускающие измерение с существенно более высокой точностью, которые в свою очередь зависят от α. Прослеживая изменение таких величин во времени можно сделать вывод и о стабильности постоянной тонкой структуры.
Самые точные измерения, выполняемые на сегодняшний день в физике — это измерения отношений частот. То есть, чтобы точно измерить что-либо, надо преобразовать измеряемую величину в частоту. Именно это происходит, например, при измерении скорости движущегося автомобиля, когда используется эффект Доплера, или при точном измерении разности потенциалов — с использованием эффекта Джозефсона.
Существенный прогресс точности измерений произошел, когда открылась возможность измерять и сравнивать частоты оптических переходов в атомах и ионах, представляющих собой осцилляторы с исключительно высокой добротностью. Немаловажную роль сыграло развитие методов стабилизации лазеров, захвата и удержания атомов, но настоящий прорыв в этой области случился с появлением так называемых «оптических гребенок». Стал доступен новый и относительно простой метод измерения оптических частот (за который Теодор Хенш и был в 2005 году удостоен Нобелевской премии). Сердцем этой системы стал фемтосекундный лазер, излучение которого в данном случае используется как набор стандартных оптических частот. Можно представить себе излучение такого источника, как примерно миллион непрерывных лазеров, каждый из которых обладает своей уникальной и точно определенной частотой.
Говорит Николай Колачевский: «Задача состояла в том, чтобы измерить частоту в атоме водорода — переход между двумя энергетическими уровнями (основное и метастабильное состояние атома). Для того, чтобы возбудить атом, нужно на определенной частоте поглотить два фотона. В возбужденном состоянии он стабилен в масштабе долей секунды, поэтому получается очень узкий переход, и его легко регистрировать. С другой стороны, атом водорода - это неудобный объект для работы — ультрафиолетовый диапазон, невозможность (даже сегодня) охладить атом лазерными методами, захватить в ловушки, что определяется его уникальной структурой уровней.
Был проведен комплекс исследований, нацеленный на максимальную точность в измерении этого перехода. Это тонкая работа, включающая решение целого ряда научных и технических промежуточных задач (например, сужение линии излучения лазера, возбуждающего переход, улучшение детекторов, совершенствование обработки данных). И с интервалом в несколько лет (2001-й, 2003-й и 2010 гг.) нам удалось выполнить ряд измерений с постоянно увеличивающейся точностью.
На сегодня точность измерения частоты этого перехода в атоме водорода достигла 15-го знака! Десять лет назад, когда эта работа с Теодором Хеншем только начиналась, речь шла о тринадцатом-четырнадцатом знаках. Конечно, это уступает наиболее точным измерениям в ионе алюминия (проведенным в США), точность которых достигла единиц 18-го знака. Но возможность выполнять точные квантово-механические расчеты именно в атоме водорода делает его уникальным объектом для проведения тестов фундаментальных теорий и определения фундаментальных постоянных (например, постоянной Ридберга). Поэтому полученный результат является важным для дальнейшего развития методов квантовой электродинамики, понимания структуры протона и уточнения табличных величин.
Немаловажную роль измерение этой частоты играет и для исследования стабильности постоянной тонкой структуры. Прежде чем переходить к обсуждению результата, хотелось бы сделать небольшое отступление и рассказать о прогрессе в смежных областях.
Прежде всего, это астрофизические наблюдения. Если удаленный объект в отдаленной галактике излучает свет, этот свет доходит до нас через много миллиардов лет. А это значит, мы наблюдаем излучение, испущенное близко к моменту рождения Вселенной. Чем дальше объект, тем длительнее этот временной интервал. Предмет исследования — эти самые спектры, структура которых также определяется постоянной тонкой структуры. Сравнивая спектр, полученный в лаборатории, со спектром, испущенным много миллиардов лет назад, можно сделать вывод, отличалась ли постоянная тонкой структура в то время от ее сегодняшнего значения или нет. Разрешение этого метода оказывается не очень высокое, но, благодаря гигантским интервалам времени, разделяющим момент испускания и регистрации излучения (порядка десяти миллиардов лет), чувствительность к линейному дрейфу получается огромная, на уровне шестнадцатого знака в год.
Есть и другие типы исследований, например, геологический метод. Он основан на изучении изотопного состава руд месторождения Окло (Габон), единственного известного места на Земле, где около двух миллиардов лет назад протекала самопроизвольная цепная реакция деления ядер урана. При этом, как и в ядерном реакторе, возникли интенсивные потоки нейтронов, что и обнаружено по изменению состава изотопов. Исследователями сделаны выводы о сечениях реакций (вероятности захвата нейтрона ядром), проходивших в то время. А сечения реакции во многом определяются α.
Мы в наших экспериментах с атомом водорода не увидели изменений частоты во времени на уровне погрешности измерений. При этом достигнутая чувствительность к дрейфу оказалась сопоставима с астрофизическими методами, то есть на уровне шестнадцатого знака в год. Такой результат обусловливается крайне высокой точностью лабораторных измерений. Атом водорода оказался удобной моделью, аналогичные измерения выполняются и в других атомных системах. Причем масштабы лабораторных и астрофизических экспериментов несопоставимы. Чтобы наблюдать объект, астрофизикам нужны гигантские комплексы телескоп-спектрометр, такие как KECK-HIRES или VLT. А здесь — на лабораторном столе, с помощью методов атомной прецизионной спектроскопии оказалось возможным достичь фактически того же уровня чувствительности к дрейфу. Если же посмотреть — именно с точки зрения дрейфа, — как со временем повышается точность методов, то лабораторные методы уже обогнали астрофизику.
Конечно, астрофизики “видят” то, что было миллиард или несколько миллиардов лет после рождения Вселенной. А чем ближе к началу развития Вселенной, тем вероятнее обнаружение каких-то изменений. Отсутствие наблюдаемого дрейфа на сегодняшний день, конечно, является некоторым разочарованием для исследователей, ищущих “новую физику”. Но с практической точки зрения результат оказывается важен для современной метрологии, а именно навигационных систем, включая космические системы ГЛОНАСС и GPS, поскольку они также опираются на распространение точных частот, синтезируемых атомами».

АНИ «ФИАН-информ»

Разработан метод сравнения структур молекул РНК

2011-10-15T15:32:15+04:00

Группа физиков из ФИАН, МФТИ и МГУ разработала метод сравнения двух молекул РНК, основанный на математическом сходстве метода динамического программирования и теории, описывающей образование комплекса двух полимерных цепей со сложной архитектурой. Этот метод может помочь предсказывать «оптимальную» вторичную структуру молекулы РНК по последовательности образующих ее нуклеотидов. Неожиданным следствием разработанного подхода стала гипотеза о статистическом механизме выделенности используемого природой числа нуклеотидов, 4.

Для эволюционной биологии вопрос сравнения ДНК и РНК последовательностей - один из ключевых, в частности, он позволяет судить о том, насколько далеко в эволюционном смысле разошлись друг от друга два рассматриваемых гена, и какие гены могут являться их общими предками. И если вопрос сравнения двух последовательностей молекул дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) с алгоритмической точки зрения не вызывает принципиальных трудностей, то задача построения алгоритма сравнения молекул рибонуклеиновой кислоты (РНК) наталкивается на серьезные препятствия и до сих пор полностью не решена. Дело в том, что молекулы РНК содержат нетривиальную вторичную структуру типа «клеверного листа» или «кактуса». Образование этой вторичной структуры обусловлено наличием слабых водородных связей между удаленными по цепи комплиментарными нуклеотидами. Сергей Нечаев (ФИАН), Михаил Тамм (МГУ) и Ольга Вальба (МФТИ) предлагают метод сравнения РНК, явно учитывающий как порядок следования нуклеотидов, так и комбинаторику, обусловленную тем, что при заданной первичной структуре молекула РНК может образовать разные вторичные кактусоподобные структуры.

«Молекулы ДНК и РНК – это нерегулярные последовательности, образованные четырьмя типами «букв» - нуклеотидов. Задача сравнения или, как говорят, «выравнивания» последовательностей молекул ДНК, заключается в нахождении максимальной общей подпоследовательности двух молекул. Эта подпоследовательность не обязательно состоит из идущих непосредственно друг за другом букв, они могут идти и с пробелами – делециями. Задачу о сравнении двух последовательностей РНК мы свели к задаче о вычислении свободной энергии комплекса двух взаимодействующих неоднородных (гетерополимерных) цепей, каждая из которых может образовывать кактусоподобную структуру. Мы показали, что с формально-математической точки зрения известный рекурсивный алгоритм выравнивания последовательностей ДНК – так называемый, метод динамического программирования Смита-Ватермана – может рассматриваться как предел нулевой температуры в статистической модели связывания двух полимерных цепочек с произвольной первичной структурой. Обобщить это наблюдение на случай молекул РНК было уже делом техники», - рассказывает руководитель работы, доктор физ.-мат.наук Сергей Нечаев.

В задаче о сравнении молекул РНК помимо непосредственной энергии связи контактов, свободная энергия учитывает комбинаторную энтропию образования разных вторичных структур. Таким образом, поиск максимальной общей подпоследовательности сводится к вычислению максимальной свободной энергии комплекса двух молекул: чем больше ее значение, тем более похожи две сравниваемые молекулы РНК. Разработанный статистический алгоритм можно использовать и для решения обратной задачи - восстановления оптимальной структуры каждой из взаимодействующих молекул РНК по известной последовательности нуклеотидов конкретной молекулы РНК.

«Представьте себе, - поясняет Нечаев, - что в эксперименте возникла необходимость предсказать вторичную структуру синтезированной молекулы РНК по последовательности нуклеотидов. Наш алгоритм позволяет предсказать оптимальную с точки зрения статистической физики вторичную структуру молекулы РНК, которая будет соответствовать максимуму свободной энергии. При этом мы старались по возможности оставаться в рамках статистической физики и избегать эвристических соображений, полученных лишь на основе анализа экспериментальных данных».

Следствием разработанного подхода стало довольно неожиданное наблюдение. Оказалось, что если не ограничиваться только четырьмя типами нуклеотидов (аденин, цитозин, гуанин и урацил), присутствующими в РНК, то «выравнивание» молекул РНК при числе нуклеотидов с ≤ 4 и при с > 4 происходит по-разному.

Кактусообразная структура (а) и ее «арочная» диаграмма (b)

«Алфавит, который использует природа, - говорит Сергей Нечаев, - выделен тем, что при числе букв, меньшем или равном четырем, укладка очень длинной молекулы РНК почти не содержит пропусков (делеций) и каждому нуклеотиду найдется комплиментарный, либо в той же самой молекуле, либо в той, с которой происходит сравнение. В случае же, когда число букв больше четырех, в очень длинной цепи РНК всегда присутствует большое количество делеций (их число сравнимо с длиной всей цепочки). Число «четыре» является пограничным: это максимальное число букв, при котором у каждого нуклеотида есть пара, и очень длинная случайная РНК может образовывать «совершенную» вторичную структуру, то есть у каждого нуклеотида в последовательности найдется комплиментарный.

Вопрос о том, почему природа использует именно 4 типа нуклеотидов, - один из важнейших в биологии и генной инженерии. Как предполагают исследователи из ФИАН, МГУ и МФТИ, с точки зрения статистической физики гетерополимеров со сложной иерархической вторичной структурой типа РНК, число «четыре» является статистически выделенным среди всех возможных алфавитов при изучении проблемы выравнивания. Для «линейной» молекулы ДНК, где количество нуклеотидов также равно четырем (аденин, цитозин, гуанин и тиминдин), оно уже ничем не выделено. Это наблюдение может рассматриваться как еще один косвенный аргумент в пользу гипотезы «РНК-мира», согласно которой на начальном этапе возникновение жизни на Земли существовали только РНК, а ДНК появились уже в результате их эволюции.

АНИ «ФИАН-информ»

Получены первые монокристаллы новых высокотемпературных сверхпроводников на основе железа

2011-08-15T14:52:40+04:00

В Физическом институте им. П. Н. Лебедева (ФИАН) синтезирован кристалл нового высокотемпературного сверхпроводника (ВТСП) на основе железа. В конце прошлого года было завершено оборудование лаборатории по твердофазному синтезу и росту кристаллов ВТСП. Результат первого эксперимента показал принципиальную возможность получения таких кристаллов в ФИАНе. О перспективных разработках в этой области рассказывает старший научный сотрудник лаборатории сверхпроводимости ФИАН кандидат физико-математических наук Юрий Ельцев.

Недавно исполнилось ровно сто лет с момента открытия Камерлинг-Оннесом сверхпроводимости. В первый период развития сверхпроводимости ее носителями были в основном металлы, а максимальная критическая температура не превышала 10К (9К в Nb, 7.2К в Pb). По мере дальнейшего развития к 70-м годам ХХ века была достигнута критическая температура в 23К (Nb3Ge). В этот же период были получены соединения Nb-Ti и Nb3Sn, использование которых открыло возможность создания высокополевых сверхпроводящих магнитов. Из этих материалов до сих пор изготавливаются провода, используемые для производства магнитов, которые широко применяются в медицине, научных исследованиях.
В 1986 году швейцарские ученые Беднорц и Мюллер открыли высокотемпературные сверхпроводники (ВТСП) на основе купратов, где была достигнута температура сверхпроводящего перехода 36К (вещество это ранее было синтезировано во Франции и в СССР, в Институте неорганической химии, но до критической температуры его сопротивление промерено не было). Затем развитие пошло очень бурно — через несколько лет критическая температура достигла 135К в соединениях на основе ртути, в создании которых участвовали физики из МГУ Антипов и Путилин. После открытия ВТСП было опубликовано огромное количество работ, стали успешно использоваться не применявшиеся ранее для исследования сверхпроводимости самые различные методы исследования кристаллической структуры, электронных свойств этих материалов.
В 2008 году были открыты новые сверхпроводники — пниктиды, где сверхпроводимость реализуется в слоях Fe-As. В пниктидах критическая температура сверхпроводящего перехода достаточно высока (55К), причем на их сверхпроводящие свойства относительно слабо (по сравнению со всеми другими известными сверхпроводниками) действует магнитное поле. На сегодняшний день рекордные критические магнитные поля отмечены именно в пниктидах. Но наиболее удивительным обстоятельством является тот факт, что высокотемпературная сверхпроводимость реализуется в соединениях, где железо (хорошо известный магнетик) является одним из элементов элементарной ячейки, поскольку на ранних этапах развития сверхпроводимости считалось, что сверхпроводимость и магнетизм — два взаимоисключающих явления. Сегодня пниктиды рассматриваются как весьма перспективные материалы для использования на практике.
Рассказывает старший научный сотрудник лаборатории сверхпроводимости ФИАН кандидат физико-математических наук Юрий Ельцев: «В конце прошлого года в институте заработала лаборатория по созданию новых сверхпроводящих материалов. В основном мы реализуем два метода. Более простой — это твердофазный синтез, когда исходные элементы в соответствии со стехиометрической формулой тщательно перемешиваются, запаиваются в ампулу и спекаются. В результате химической реакции в условиях высокой температуры получается поликристаллическое соединение, где кристаллиты ориентированы случайным образом. Это не очень хорошо для исследования, поскольку пниктиды являются анизотропным материалом. По этой причине важным элементом для проведения исследований является получение монокристаллов.
Для этой цели может быть использован самый простой способ, когда вещество можно просто расплавить и медленно охладить его, либо более технологически приемлемый, когда подбирается соответствующий растворитель, позволяющий снизить температуру процесса. Это может быть, например, хлористый калий, либо металлическое олово, либо нестехиометрическая смесь элементов, входящих в состав кристалла. Процесс технологически очень сложный, тем не менее, нам удалось провести один успешный опыт. Получены кристаллы соединения 1-2-2 на основе бария с небольшим замещением на калий. Хотя получена не оптимальная температура (32К), а только 8К, этот результат очень важен. Ведь в России такие кристаллы пока только начинают выращивать. На ближайшие месяцы у нас подготовлены еще несколько экспериментов — надеемся выйти на оптимальную критическую температуру для этого класса ВТСП. Физики-исследователи очень ждут такие кристаллы, поскольку идей для проведения исследований их свойств довольно много.
Кроме того, в самое последнее время оформилось новое модное сейчас течение — так называемые топологические изоляторы. Это материалы, на границе которых при определенных условиях могут возникнуть незатухающие токи. Теоретиками предложено несколько возможных видов таких материалов, и первые экспериментальные исследования в мире уже начались. Эта проблема также связана и со сверхпроводимостью — в ряде случаев топологические изоляторы становятся сверхпроводниками. И сейчас мы проводим первые эксперименты по выращиванию кристаллов топологических изоляторов, которые могут, как ожидается, быть использованы при создании приборов на основе спинтроники».

АНИ «ФИАН-информ»

Предложен способ усиления оптического отклика жидкого кристалла

2011-04-15T13:24:19+04:00

Учёные ФИАН совместно с коллегами из МГУ им. М.В. Ломоносова и Института кристаллографии им. А.В. Шубникова показали, что усложнение структуры высокомолекулярных поглощающих добавок существенно увеличивает оптический отклик нематического жидкого кристалла. В качестве поглощающих добавок использовались молекулы высокомолекулярных соединений – гребнеобразные полимеры и дендримеры (сферически симметричные молекулы со сверхразветвленной структурой).

Нематические жидкие кристаллы (НЖК) состоят из палочкообразных молекул, которые ориентированы приблизительно параллельно друг другу. Направление преимущественной ориентации (определяющее направление оптической оси жидкого кристалла) может быть изменено с помощью внешних воздействий. Так, влияние переменного электрического напряжения на ориентацию молекул НЖК использовано, в частности, в конструкциях современных жидкокристаллических дисплеев. Облучение нематического жидкого кристалла поляризованным лазерным пучком может привести к новому нелинейному оптическому эффекту - существенному (до 0.2) изменению показателя преломления необыкновенной волны вследствие коллективной переориентации молекул. Ориентационный отклик дополнительно усиливается поглощающими добавками, включенными в нематическую матрицу. Оптическая переориентация НЖК позволяет реализовать и исследовать такие нелинейные оптические явления как самофокусировка и самодефокусировка, оптические бистабильности, распространение солитонов, обращение волнового фронта и т.д.
В Отделе оптики низкотемпературной плазмы (ОНТП) ФИАН ведутся исследования влияния строения поглощающих молекул на эффективность ориентации системы.
Для изучения ориентирующего воздействия света на НЖК использовался эффект аберрационного самовоздействия светового пучка. Лазерный пучок фокусировался в относительно толстый слой (100 мкм) нематического жидкого кристалла, легированного поглощающей добавкой. Вследствие возникновения такой переориентации происходит формирование колоколообразного профиля показателя преломления и, в результате дифракции, в дальней зоне наблюдается система интерференционных колец (см. фото справа).
По свойствам кольцевой картины (временным характеристикам, числу колец, её динамике при перемещении кристалла, поведению при наложении дополнительного электрического поля и т.д.) можно получить много полезной информации о свойствах НЖК и процессе светоиндуцированной переориентации.

О результатах эксперимента рассказывает старший научный сотрудник ФИАН, кандидат физико-математических наук Михаил Смаев: «Исследования, проведенные с высокомолекулярными соединениями, показали, что усложнение структуры поглощающей добавки - степени полимеризации или числа ветвящихся слоёв дендримеров - приводит к более "лёгкой" переориентации. Для свободной поглощающей молекулы и для полимера, объединяющего такие же молекулы в своей структуре, световые мощности необходимые для достижения одинаковой ориентации могут отличаться на порядки!»

По словам руководителя группы, ведущего научного сотрудника ФИАН, кандидата физико-математических наук Александра Золотько:

“Эффект оптической ориентации поглощающих нематических жидких кристаллов, усиливающийся по мере усложнения иерархии структур, включенных в матрицу, дает пример нелинейно-оптических взаимодействий света с веществом при рекордно низких интенсивностях – на 10 и более порядков ниже, чем для классического керровского явления. Высокая эффективность взаимодействия связана с тем, что свет изменяет состояние молекул и приводит к возникновению ориентирующих межмолекулярных сил”.

Эффект усиления оптического отклика НЖК представляет интерес как для изучения механизмов взаимодействия света с широким классом частично упорядоченных объектов (в том числе биологического происхождения), так и с точки зрения устройств, использующих модуляцию света. Важным направлением исследований является возможность использования светодиодов для получения тех же эффектов.
Жидкокристаллические мониторы в настоящий момент господствуют на рынке. Также господствующим является мнение о том, что они должны уступить свое место светодиодным мониторам. Фиановская работа показывает, что развитие в этой области может пойти и по другому пути.

АНИ «ФИАН-информ»