Основные достижения 2011 г.

Создана новая конструкция эффективного устройства защиты приемника от мощного радиоимпульса на основе пары невзаимодействующих микрополосковых резонаторов, связь между которыми в рабочей полосе частот осуществляется через третий резонатор с пленочным элементом из высокотемпературного сверхпроводника, находящемся в сверхпроводящем состоянии [1, 2].

Под действием радиоимпульса, мощность которого превосходит некоторый порог, пленочный элемент переходит из сверхпроводящего в нормальное, высокорезистивное состояние, разрушая связь между резонаторами, вследствие чего происходит ограничение мощности на выходе устройства. Устройство отличается от известных решений высокой электрической прочностью благодаря почти полному отражению мощного импульса от входа.

Рис. 1 Конструкция микрополоскового защитного устройства – а и зависимость коэффициента связи от зазора между сонаправленными шпильковыми резонаторами. S0 – точка компенсации.

Рис. 2 АЧХ устройства защиты (линии – расчет, точки – эксперимент) в открытом (1, 3) и закрытом (2, 4) состоянии – а. Зависимости выходной мощности от мощности на входе для трех значений ширины узкого участка ВТСП элемента w – б. На вставке фотография устройства.

1. Беляев Б.А., Говорун И.В., Лексиков А.А, Сержантов А.М. Микрополосковое защитное устройство // Патент России по заявке 2010144740. Решение о выдаче патента от 23.08.2011.
2. Беляев Б.А., Лексиков А.А, Сержантов А.М., Говорун И.В. Микрополосковое устройство защиты от мощного радиоимпульса с ВТСП элементом // ЖРЭ. – 2011. – № 7. – С. 1-12.

Выполнены исследования транспортных и магнитотранспортных свойств гибридной структуры Fe/SiO2/p-Si на постоянном токе [1]. Особенности транспортных свойств определяются переходом металл-диэлектрик-полупроводник (МДП) с барьером Шоттки, который формируется на границе раздела SiO2/p-Si, рис. 1. Структура обнаруживает магниторезистивный эффект, причем в зависимости от условий (температура, ток смещения) наблюдается либо положительное магнитосопротивление (МС), либо отрицательное, рис. 2. Положительное МС связано с процессами, имеющими место при протекании тока в объеме полупроводника (p-Si), а отрицательное необходимо связывать с тонким инверсионным слоем, который формируется вблизи границы SiO2/p-Si. Не исключе-но, что определенную роль при этом играет ФМ состояние верхнего слоя структуры и спин-зависимое туннелирование электронов через SiO2/p-Si интерфейс.

Исследование импеданса структуры были выполнены в диапазоне частот 20 Гц – 2 ГГц. Обнаружено сильное увеличение магнитоимпеданса при понижении температуры в диапазоне частот 50-200 МГц. Анализ поведения импеданса при изменении температуры, смещения, частоты и магнитного поля позволил разделить вклады в магниторезистивный эффект от разных областей структуры, от типа носителей заряда. Полученные результаты открывают путь к установлению деталей механизмов, отвечающих за особенности транспортных свойств и за влияние магнитного поля на проводимость гибридных структур.

Рис. 2. Зависимость эффекта магнитосопротивления от тока. Рис. 3. Температурные зависимости электросопротивления структуры Fe/SiO2/p-Si. Под дейсвитей э/м облучения – красная кривая, без облучения – синяя.

Поиск эффективных путей управления транспортными свойствами гибридных структур привел к обнаружению фотоэлектрического эффекта в Fe/SiO2/p-Si. Изменение сопротивления структуры при облучении может достигать трех порядков, рис. 3. Спектральная зависимость фотоэлектрического эффекта носит пороговый характер ¬– наблюдается только для энергий фотона больше ~ 1 эВ. Механизм влияния облучения определяется генерацией электрон-дырочных пар в полупроводниковой подложке на границе с SiO2.

1. N.V. Volkov, A.S. Tarasov, E.V. Eremin, S.N. Varnakov, S.G. Ovchinnikov and S.M. Zharkov, Magnetic-field- and bias-sensitive conductivity of a hybrid Fe/SiO2/p-Si structure in planar geometry. Journal of Applied Physics v. 109, 123924 (2011).

Недавнее открытие нового класса высокотемпературных сверхпроводников с Tc ~ 52 K на основе железа породило множество фундаментальных вопросов о механизме сверхпроводимости в этих слоистых веществах. Поскольку это первый после ВТСП купратов класс сверхпроводников со столь высокими значениями Tc, интерес научного сообщества к ним возник сразу и продолжает расти до сих пор. Это не в последнюю очередь обязано тому, что связь между необычной сверхпроводимостью, реализующейся в данном случае, и магнетизмом, является одной из самых интересных тем в теории твердого тела. Громадный опыт, накопленный при исследовании купратов, позволил в течение всего двух лет после открытия провести высокоточные эксперименты на сверхпроводниках на основе железа. За это же время было выдвинуто множество теорий и гипотез о природе сверхпроводимости в этих веществах. Мы сделали обзор экспериментов и теорий, относящихся к симметрии и структуре сверхпроводящей щели [1].

С точки зрения механизма сверхпроводящего спаривания, как спин-флуктуационные теории, так и ренормгрупповой анализ, являются довольно сложными численными методами. Но поскольку для спаривания важна амплитуда рассеяния в канале частица-частица на Ферми-поверхности, угловую зависимость этой амплитуды можно разложить по тем же гармоникам, что и параметр порядка Δk. Такой метод, LAHA (lowest angular harmonics approximation), разработанный нами, позволяет с помощью ограниченного набора параметров и без привлечения сложных расчётов описать спаривание в сверхпроводниках на основе железа как при малом допировании, так и в случаях экстремального допирования электронами или дырками [2].

Мы исследовали динамическое рассеяние квазичастиц на спиновых и зарядовых флуктуациях в сверхпроводниках на основе железа в 5-орбитальной модели с локальными взаимодействиями [3]. Главный вклад в массовый оператор вычислялся из диаграммы второго порядка с поляризационным оператором, вычисленным в приближении случайных фаз (RPA). Полученный вклад в амплитуду рассеяния оказался очень анизотропным на каждой из поверхностей Ферми. Мы выяснили, что причина анизотропии в импульсной зависимости спиновой восприимчивости и многоорбитальном составе каждой Ферми-поверхности. Совместный эффект анизотропии рассеяния и анизотропии эффективной массы привёл к различию проводимости, коэффициента Холла и наклона кривой рамановской интенсивности для электронов и дырок, что находится в качественном согласии с экспериментом. Мы рассмотрели проблему примесей в двухзонных сверхпроводниках и показали, что в рамках приближения T-матрицы подавление критической температуры сверхпроводящего перехода Tc может быть описано одним параметром. Этот параметр зависит от величин меж- и внутри-зонных примесных рассеяний. Показано, что Tc более устойчиво относительно рассеяния на немагнитных примесях, чем ожидается из теории Абрикосова-Горькова. В зависимости от усредненной величины потенциала спаривания обнаружили два режима: в одном Tc подавляется до нуля, а в другом остаётся конечным независимо от концентрации примесей. Мы выяснили, что единственный сценарий, в котором Tc не уходит в ноль при конечной концентрации примесей, это реализация перехода от s± симметрии к s++.

1. P.J. Hirschfeld, M.M. Korshunov, and I.I. Mazin, Gap symmetry and structure of Fe-based superconductors, Rep. Prog. Phys. 74, 124508 (2011).
2. S. Maiti, M.M. Korshunov, T.A. Maier, P.J. Hirschfeld, and A.V. Chubukov, Evolution of the Superconducting State of Fe-Based Compounds with Doping, Phys. Rev. Lett. 107, 147002 (2011).
3. A.F. Kemper, M.M. Korshunov, T.P. Devereaux, J.N. Fry, H-P. Cheng, and P.J. Hirschfeld, Anisotropic quasiparticle lifetimes in Fe-based superconductors, Phys. Rev. B 83, 184516 (2011).

Проведено экспериментальное исследование вольт-амперных характеристик (ВАХ) поликристаллического замещенного манганита лантана La0.7Ca0.3MnO3 при Т = 77.4 К в магнитных полях до 13 кЭ. На ВАХ (Рис.1) обнаружен участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением выше некоторого порогового значения плотности критического тока j, который, по нашему мнению, вызван неравновесным разогревом газа носителей из-за малой теплопроводности материала манганита. Как следствие нелинейности ВАХ, полевые зависимости электросопротивления ρ(H) (Рис.2) оказываются чрезвычайно чувствительными к величине транспортного тока. В этом случае, зависимости ρ(H) замещенного манганита лантана обладают как обычным отрицательным, так и положительным магнитосопротивлением, что наблюдается впервые.

Рис. 2. Зависимости ρ(H) ВАХ La_0.7Ca_0.3MnO₃ при различных значениях плотности тока. А) j = 2-107,5 A/cm²; Б) j = 114-182 A/cm²

1. К.A. Shaykhutdinov, S.V. Semenov, S.I. Popkov, D.A. Balaev, A.A. Bykov, A.A. Dubrovskiy, M.I. Petrov, and N.V. Volkov. Magnetoresistance of substituted lanthanum manganites La0.7Ca0.3MnO3 upon nonequilibrium overheating of carriers, Journal of applied physics 109, 083711 (2011).

Проведен неэмпирический расчет сегнетоэлектрических свойств кристалла SrTiO₃, допированного трехвалентными примесями (Sc³⁺, Ga³⁺, In³⁺, Lu³⁺) и исследовано влияние этого замещения на сегнетоэлектрическую неустойчивость. Получено, что примесь трехвалентного металла, внедренная в позицию двухвалентного иона стронция, стимулирует сегнетоэлектрическое состояние в таких соединениях. Глубина энергетического минимума в полярной фазе зависит как от типа примесного иона, так и от механизма зарядовой балансировки. Более глубокий минимум наблюдается при допировании SrTiO₃ легкими ионами скандия, при увеличении номера иона примеси в периодической таблице глубина энергетического минимума уменьшается. Также глубина энергетического минимума в полярной фазе становится меньше при образовании вакансии на позиции иона стронция вместо позиции титана. В какой-то степени такое уменьшение объясняется более сильным притягивающим взаимодействием ионов кислорода и титана при образовании вакансии на стронции.

Наиболее важным результатом расчета является наличие непрерывного минимума на энергетической поверхности (рисунок) в некоторых рассмотренных соединениях: SrTiO₃, допированный ионами La³⁺ и образованием вакансии на позиции титана, и SrTiO₃, допированный ионами In³⁺ и образованием вакансии на позиции стронция при концентрации х = 0.25. Наличие такого энергетического минимума может приводить к безбарьерному вращению вектора поляризации в сегнетоэлектрической фазе, что может иметь важное значение для практического применения сегнетоэлектрических материалов.

1. Замкова Н.Г., Жандун В.С., Зиненко В.И. Влияние замещения иона Sr2+ трехвалентными ионами (Sc³⁺, In³⁺, La³⁺, Bi³⁺) на его сегнетоэлектрическую неустойчивость в SrTiO₃, ФТТ. – 2011. – T. 53. – Вып. 11. – С. 2175-2184.

Изучен квантовый спин-поляризованный транспорт электрона через потенциальные профили спиновых наноструктур [1]. Спиновая наноструктура формируется из конечного числа атомов, или ионов переходных элементов, обладающих нескомпенсированным магнитным моментом и взаимодействующих между собой посредством гейзенберговской обменной связи. Благодаря этому, в магнитном отношении такая структура ведет себя как спиновый димер, спиновый тример и т.д. Взаимодействие такой системы со спиновым моментом транспортируемого электрона проявляется не только в возникновении дополнительного потенциала, зависящего от взаимной ориентации спиновых моментов у электрона и спиновой наноструктуры, но и в возникновении спин-флип процессов, приводящих к изменению проекций спиновых моментов. Поэтому при транспорте электрона через спиновую наноструктуру могут индуцироваться переходы между основным и возбужденным состояниями наноструктуры, а транспорт превращается из упругого в неупругий. В настоящее время изучение неупругого транспорта через такие системы составляют предмет интенсивных исследований по спин-флип микроскопии.

Рис. 1. Индуцирование магнитным полем пиков при транспорте через спиновую наноструктуру.	Рис. 2. Зависимость величины магнитосопротивления спиновой нанострутктуры от напряжения смещения

Показано, что включение магнитного поля приводит к существенному влиянию на транспортные характеристики спин-поляризованного электрона, движущегося через потен-циальный рельеф спиновой наноструктуры. Это проявляется в индуцировании новых окон прозрачности в энергетической зависимости коэффициента прохождения T спин-поляризованного электрона. Существенно, что в этой зависимости наблюдается ряд резонансных особенностей Фано. В случае одиночной магнитной примеси имеет место антирезонанс (T=0), а в случае спинового димера присутствует набор асимметричных пиков, каждому из которых свойственно близкое расположение резонанса (T=1) и антирезонанса (рис. 1). Проявление эффекта Фано в рассмотренных системах связано с интерференцией немагнитного состояния континуума и квазилокализованных магнитных состояний. Влияние магнитного поля на резонансы Фано связано со снятием вырождения по энергии возбужденных триплетных состояний.

Показано, что вскрытый механизм влияния магнитного поля на транспортные характеристики спиновых наноструктур приводит к возникновению аномально высоких значений магнитосопротивления (MR ~ 105%, рис. 2). Существенно, что электрическое поле затвора выступает эффективным механизмом управления резонансами Фано для реализации гигантского магнитосопротивления спиновых наноструктур.

1. Вальков В.В., Аксенов С.В., ЖЭТФ, Т.140, № 2(8), 2011, стр. 305-316.