Лаборатория кристаллофизики: история создания

Истоки проводимых в Институте физики им. Л.В. Киренского СО РАН работ в области физики кристаллов связаны, в первую очередь, с кафедрой электроакустики Ленинградского электротехнического Института (ЛЭТИ), где под руководством чл.-корр. АН СССР С.Я. Соколова разрабатывались вопросы по применению ультразвука, и с научной школой академика А.В. Шубникова в Институте кристаллографии РАН, где К.С. Александров, будучи аспирантом, проводил исследования распространения ультразвуковых волн в кристаллах и искал аналогии с оптическими явлениями. После защиты кандидатской диссертации с 1958 года, он работает в Красноярске, где начал активно развиваться созданный в 1956 году Л.В. Киренским (позднее академиком) Институт физики, в 1957 году вошедший в состав Сибирского отделения РАН.

На первое время Институт кристаллографии снабдил К.С. Александрова и уезжавшего вместе с ним в Сибирь И.А. Фотченкова рядом кристаллов, прибором УЗИС для измерений скоростей ультразвука, шлифпорошками и другими материалами. К моменту их приезда в Красноярск в группе кристаллофизики работали два сотрудника — М.П. Зайцева и И.П. Талашкевич, было выделено помещение на ул. К.Маркса, 42 и можно было начинать исследования.

Уже в 1959 году была образована лаборатория кристаллофизики, которую возглавил К.С. Александров, и первым циклом ее работ, совместных с Т.В. Рыжовой и др., были систематические измерения скоростей упругих волн в кристаллах основных породообразующих минералов, которые были собраны Б.П. Беликовым (ИГЕМ РАН). Исследовались также упругие свойства многих горных пород и были разработаны методы расчета средних упругих постоянных поликристаллических мономинеральных, а потом и полиминеральных пород, исходя из их состава и свойств минералов. В 1970 году итоги исследований были подведены в монографии Б.П. Беликова, К.С. Александрова и Т.В. Рыжовой «Упругие свойства породообразующих минералов и горных пород», М. Наука. В свое время (в начале 70-х годов) эти данные по свойствам основных минералов, составляющих земную кору, были единственными в мировой литературе, вошли во все справочные пособия и до сих пор используются геофизиками.

Работы по упругости минералов и пород были возрождены в последние годы в содружестве с кафедрой геофизики Киевского университета (Г.Т. Продайвода). В них участвовали сотрудники лаборатории и кафедры физики твердого тела Красноярского университета. Была существенно усовершенствована аппаратура, развиты новые методы расчета упругих констант низкосимметричных материалов и способы учета таких характеристик горных пород как пористость, трещиноватость и текстура. Монография К.С. Александрова и Г.Т. Продайводы «Анизотропия упругих свойств минералов и горных пород», Новосибирск, Изд. СО РАН, 2000 г., подводит итоги исследований широкого класса минералов и пород из разных районов СНГ. Она является наиболее полной сводкой данных, необходимых специалистам, занимающимся вопросами сейсмологии и геотектоники, а также служит руководством для студентов родственных специальностей.

Кроме минералов в лаборатории были изучены упругие свойства ряда органических кристаллов и многих типов текстур в металлах (И.П. Талашкевич), поляризованных керамических материалах и др.

В дальнейшем основным направлением деятельности лаборатории стали работы по физике кристаллов и структурным фазовым переходам. В течение ряда лет в лаборатории кристаллофизики ИФ СО РАН и других лабораториях Института был выполнен комплекс экспериментальных исследований, включающих работы по выращиванию кристаллов сегнетоэлектриков и сегнетоэластиков, исследованию их структуры рентгеновским методом с привлечением методов упругого и неупругого рассеяния нейтронов. Последние работы проводились в ряде отечественных и зарубежных центров (ОИЯИ, Дубна; Институт Хана-Мейтнер, Берлин; Лаборатории Леона Бриллюэна, Сакле и др.). Выполнены исследования многих физических свойств вновь выращенных кристаллов: оптических, теплофизических, упругих, электромеханических, а также изучение их строения методами радиоспектроскопии. Такого рода комплексные исследования семейств кристаллов являлись приритетными. За цикл работ по механизмам фазовых переходов в сегнетоэлектриках сотрудникам лаборатории — акад. К.С. Александрову и д.ф.-м.н. И.П. Александровой — в составе коллектива авторов в 1989 году была присуждена Государственная премия СССР.

Основной целью и конечным результатом работ подобного плана являлись: изучение механизмов структурных фазовых переходов, а также причин, вызывающих спонтанные изменения симметрии, структуры и свойств кристаллов. Параллельно развивались теория структурных переходов, начиная с термодинамического и теоретико-группового описания изменений симметрии и свойств кристаллов многих семейств, создание модельных теорий таких переходов, а в последние годы и первопринципные расчеты термодинамических и динамических свойств кристаллов с достаточно сложными структурами (д.ф.-м.н. В.И. Зиненко с сотрудниками).

Следует отметить работы в таких семействах кристаллов сегнетоэлектриков и сегнетоэластиков как кристаллы типа сульфата калия: А2ВХ4, АА'ВХ4 (А,А' — щелочные элементы, ВХ4=SO4, SeO4, MoO4, WO4, BeF4 и др.), во многих галоидных кристаллах, имеющих последовательные фазовые переходы, в том числе и в промежуточные несоизмеримые фазы, и т.д. Широко известны несколько опубликованных коллективом монографий, посвященных фазовым переходам в обширных семействах кристаллов, а также первые радиоспектроскопические и нелинейно-оптические исследования несоизмеримо модулированных фаз (д.ф.-м.н. И.П. Александрова, акад. В.Ф. Шабанов, д.ф.-м.н. А.Н. Втюрин и др.).

В последние годы работы лаборатории кристаллофизики сосредоточены на поиске, синтезе и исследовании новых кристаллов, в том числе и перспективных для практических приложений. Здесь важную роль сыграли систематический анализ структур известных и прогноз возможных новых перовскитоподобных кристаллов в таких семействах как перовскиты, эльпасолиты, анион- и катион-дефицитные родственные соединения, а также слоистые октаэдрические соединения, часто встречающиеся среди высокотемпературных сверхпроводников и сегнетоэлектриков. Важную роль сыграли также теоретико-групповой и кристаллографический анализ возможных фазовых переходов в слоистых кристаллах. За цикл этих работ К.С. Александрову и Б.В. Безносикову была присуждена премия РАН им. Е.С. Федорова в 1997 г., а монография этих авторов «Перовскитоподобные кристаллы», Новосибирск, Изд. СО РАН, 1997 г. стала библиографической редкостью.

В 2004 г. те же авторы, развивая данное направление, опубликовали еще одну монографию «Перовскиты. Настоящее и будущее», Новосибирск, Изд. СО РАН, где приведены результаты анализа возможностей синтеза сотен новых слоистых перовскитоподобных кристаллов, а также антиперовскитов карбидов, нитридов и боридов. Для специалистов по синтезу новых соединений открывается обширное поле деятельности по созданию новых веществ, которые могут обладать полезными для практики физическими свойствами.

Экспериментальные исследования последних лет направлены на синтез ряда галогенидов, оксигалогенидов и оксидов со структурами типа эльпасолита А2A’BХ6 и криолита А3ВХ6, а также таких соединений как ScF3, CsScF4, Rb2CdCl4 и др. В этих кристаллах были изучены фазовые переходы, во многих случаях определены структуры искаженных фаз и на основе прецизионных оптических и калориметрических исследований выяснена природа переходов. Особенно полезными оказались калориметрические данные для понимания структурных превращений в сегнетоэлектриках-релаксорах, таких как магнониобат свинца, широко использующихся в практике (д.ф.-м.н. И.Н. Флёров, д.ф.-м.н. М.В. Горев).

Проблема выяснения взаимосвязи определенных кристаллических структур и соответствующих им физических свойств является междисциплинарной и остается актуальной и в настоящее время в физике конденсированного состояния, химии твердого тела и материаловедении. Это обстоятельство связано, в частности, с поиском новых химических соединений, обладающих ярко выраженными эффектами различной физической природы, которые могут представлять интерес, как для развития фундаментальных представлений, так и при поиске новых перспективных материалов. Один из путей решения указанной проблемы неразрывно связан с необходимостью исследования структурных фазовых переходов. Для получения информации об энергетических параметрах структурных превращений неизбежным является использование различных калориметрических методов и исследование фазовых диаграмм температура-давление.

Наглядной иллюстрацией этого тезиса могут служить результаты комплексного исследования семейства аммонийных криолитов (NH4)3M3+F6 (M3+: In, Sc, Ga, Fe, V, Al), которые характеризуются в исходной фазе кубической симметрией и при изменении температуры испытывают разнообразные последовательности сегнетоэластических фазовых переходов в зависимости от химического (внутреннего) давления, определяемого размером трехвалентного катиона. На основе анализа интегральных термодинамических параметров, влияния гидростатического (внешнего) давления на фазовые переходы, как в индивидуальных соединениях, так и в твердых растворах, а также диаграмм температура — состав предложена обобщенная фазовая диаграмма температура — давление, позволяющая описать все наблюдающиеся в кристаллах (NH4)3M3+F6 последовательности фазовых превращений. Полученные данные позволили определить пути воздействия на физические свойства исследованной системы кристаллов, связанные с определенной симметрией исходной G0 и искаженных фаз Gi (д.ф.-м.н. И.Н. Флёров, д.ф.-м.н. М.В. Горев, к.ф.-м.н. В.Д. Фокина, к.ф.-м.н. М.С. Молокеев).

В кооперации с сотрудниками ряда лабораторий Института ведутся также работы по поиску, получению и исследованию новых материалов, перспективных для оптики и лазерной техники. Здесь можно упомянуть получение ряда кристаллических и стеклообразных акустооптических материалов, литиево-боратных стекол, активированных редкоземельными элементами и изучение их оптических и магнитооптических свойств (к.ф.-м.н. А.В. Замков, к.ф.-м.н. А.И. Зайцев). Оригинальность этих материалов была подтверждена получением нескольких патентов РФ.

Работы лаборатории систематически поддерживаются рядом грантов РФФИ, Программами СО РАН и ОФН РАН, а также Программами Президиума РАН «Направленный синтез веществ с заданными свойствами и создание функциональных материалов на их основе» и Минвуза России. В последние 20 лет исследования лаборатории кристаллофизики финансируются грантами Президента Российской Федерации для поддержки ведущих Научных школ.

Коллектив имеет обширные научные связи со многими институтами и вузами России (ИК РАН, ФТИ РАН, ГНЦ Курчатовский институт, ОИЯИ) и многими другими организациями, участвующими в работе секции по сегнетоэлектрикам и диэлектрикам Научного Совета РАН по физике конденсированного состояния.

Активно развиваются и международные контакты с Францией (Тулуза, Бордо, Ле Мен, Сакле), Испанией (Сарагоса), Германией (Лейпциг).

Сотрудники лаборатории участвовали с пленарными докладами на многих зарубежных конференциях: кристаллографических конгрессах в Италии, Англии, Франции, Австралии, Москве, Международных и Европейских конференциях по сегнетоэлектричеству в Швейцарии, Франции, Германии, Корее и многих совещаниях в России и СНГ, а также неизменно являются членами Оргкомитетов конференций различного уровня.

Многие сотрудники читают лекции и проводят практические занятия в СФУ, СибГАУ и др. учебных заведениях (В.И. Зиненко, И.Н. Флёров, А.В. Карташев, В.С. Бондарев, Е.В. Богданов, Е.И. Погорельцев, А.Д. Васильев, А.И. Зайцев, М.В. Горев, С.Н. Софронова), руководят студенческими курсовыми и дипломными работами и работами аспирантов.

С 1983 года в среде участников Научной школы подготовлено 8 докторов и 20 кандидатов наук. Многие из них работают в лабораториях Института физики СО РАН, на кафедрах СФУ и в других вузах Красноярска, а также в других городах России и зарубежья.

В последнее время, благодаря возрождению авторитета естественных наук, коллектив Научной школы пополнился плеядой молодых талантливых представителей, начавших свою научную деятельность в лаборатории кристаллофизики в студенческие годы. Именно их приход способствовал резкой активизации и расширению проводимых в лаборатории исследований, а также появлению разработанных и автоматизированных ими установок, в частности, для теплофизических исследований (к.ф.-м.н. В.С. Бондарев, к.ф.-м.н. А.В. Карташев и др.).

Высокий уровень исследований, проводимых молодыми сотрудниками лаборатории, подтверждается, в частности, многократным присуждением им индивидуальных и коллективных премий и грантов различных фондов (РФФИ, Фонда поддержки отечественной науки, Краевого фонда науки и др.). В период 2004-2011 гг. 10 молодых сотрудников в возрасте 26-27 лет защитили кандидатские диссертации по результатам как теоретических, так и экспериментальных исследований.