Основные достижения 2007 г.

Причина аномального усиления электромагнитных полей во фрактальных агрегатах металлических наночастиц и способах управления их локальной структурой

 

В большинстве известных работ проявление необычных электродинамических свойств неупорядоченных агрегатов плазмонно-резонансных наночастиц приписывается исключительно их фрактальной структуре. В работах (Karpov S.V. et al., Phys.Rev.B, 2005, 72, 205425; Karpov S.V. et al., J. Chem. Phys., 2006, 125, 111101) впервые показано, что данный подход требует существенного уточнения, поскольку уникальность физических свойств фрактальных коллоидных структур обусловлена прежде всего локальной анизотропией окружения отдельных частиц другими частицами того же агрегата. Именно эта структурная особенность физических фракталов - их локальная, а не макроскопическая геометрия играет ключевую роль в электродинамических взаимодействиях агрегатов сферических наночастиц с внешними электромагнитными полями.

Нами введены параметры, количественно характеризующие локальную анизотропию [1]. Обнаружена сильная корреляция в пространственном расположении в агрегатах частиц с максимальным значением локальной анизотропии окружения и напряженности локального поля на примере наноагрегатов серебра для видимого диапазона спектра (Рис. 1).

2007_1_1.jpg

Рис. 1. Зависимости от номера частицы фактора локальной анизотропии относительно оси и квадрата локального значения дипольного момента, наведенного полем с поляризацией вдоль той же оси на частицах агрегата (N = 150).

Исследована взаимосвязь между фактором локальной анизотропии (S) и фрактальной размерностью агрегатов D в диапазоне 1.6 < D < 2.8. Обнаружена независимость S агрегатов, а значит и их оптических свойств, от D в широком диапазоне значений (1.6 < D < 2.5) (Рис. 2).

2007_1_2.jpg

Рис. 2. Зависимость локальной анизотропии от фрактальной размерности (D) монодисперсного агрегата, состоящего из N = 500 частиц.

Представлены экспериментальные доказательства взаимообусловленности электродинамических характеристик агрегатов связанных наночастиц и их локального окружения [2]. Реализован непрямой метод регистрации процесса изменения локальной структуры агрегатов с помощью спектров плазмонного поглощения. Предложены и реализованы возможные способы управления локальной структурой агрегатов наночастиц серебра: а) путем сжатия агрегатов, помещенных в полимерную матрицу, при значительном уменьшении ее объема, б) при изменении концентрации водорастворимого полимера в дисперсионной среде, как фактора, влияющего на степень упорядоченности агрегатов.

Полученные результаты послужили основанием для замены термина "оптика фрактальных наноструктур" на более универсальный - "оптика локально анизотропных наноструктур", отражающий физическую картину явлений в данном типе объектов.

  1. Карпов С.В., Герасимов В.С., Исаев И.Л., Подавалова О.П., Слабко В.В. // Коллоид. журн. – 2007. - Т. 69, № 2. - С. 178-189.
  2. Карпов С.В., Герасимов В.С., Грачев А.С., Исаев И.Л., Подавалова О.П., Слабко В.В. // Коллоид. журн. – 2007. - Т. 69, № 2. - С. 190-200.

Лаборатория когерентной оптики

Электронный транспорт через квантовый точечный контакт, возмущаемый периодическим полем

Рассмотрен электронный транспорт через квантовый точечный контакт (КТК), находящийся под действием переменного поля, которое создается потенциальным рельефом двух металлических электродов, расположенных вблизи квантовой проволоки. Постоянная составляющая потенциала отвечает за квантовый точечный контакт и создает квантование проводимости. Нами впервые рассмотрено влияние переменной составляющей потенциала, приложенных к электродам, вида 2007_2_f1.gif на электронный транспорт. Показано, что синфазные колебания потенциала в КТК (θ=0) смазывают квантовые ступени проводимости, в то время как антифазные их смещают.

При θ не равного нулю или π переменный потенциал приводит к эффекту Холла, когда в пробных поперечных контактах, индуцируется поперечный электрический ток (Рис. 1).

2007_2_1.gif

Рис. 1. Зависимость магнетосопротивления от разности фаз и частоты ас потенциалов, приложенных к электродам. Энергия транспортных электронов в волноводе шириной 1 микрон равна 0.1 eV, dc потенциал равен 1 v, амплитуда ас потенциала равна 0.2 v, а его частота равна 1 гигагерцу.

Объяснение появления магнетосопротивления под воздействием переменных потенциалов, приложенных к электродам с разными фазами лежит в следующем. Нами было показано, что задача эквивалентна транспорту электронов в скрещенных статических электрическом и магнитном полях, где эффективное электрическое поле E, пропорциональное частоте переменного поля ω и направлено перпендикулярно плоскости задачи, а эффективное магнитное поле, пропорциональное sinθ, направлено вдоль оси электронного транспорта. Тогда совместное действие статических полей для которых вектор ExH не равен нулю приводит к магнитогальваническому току, направленного перпендикулярного оси транспорта.

  1. A.F. Sadreev and K.I. Davlet-Kildeev, Electron transmission through an ac biased quantum point contact, Phys. Rev. B75, 235309-6 (2007).

Лаборатория теории нелинейных процессов

Физические механизмы гистерезиса магнитосопротивления гранулярных ВТСП

Исследованы температурные зависимости электросопротивления при различных величинах и ориентациях магнитного поля и транспортного тока композитов Y3/4Lu1/4Ba2Cu3O7 + CuO и Y3/4Lu1/4Ba2Cu3O7 + BaPbO3, представляющих сеть джозефсоновских переходов. Ранее было показано, что указанные композиты демонстрируют значительный магниторезистивный эффект при температуре кипения жидкого азота, что перспективно для практического применения ВТСП-композитов в качестве высочувствительных датчиков магнитного поля. В ходе исследований выявлено, что магнитосопротивление указанных материалов чувствительно к взаимной ориентации транспортного тока и магнитного поля. Обнаружено, что зависящее от угла θ между направлением транспортного тока и магнитного поля магнитосопротивление ведёт себя пропорционально sin2θ. Это указывает на то, что композиты на основе ВТСП, представляющие сеть джозефсоновских переходов, способны регистрировать не только величину, но также и вектор магнитной индукции.

С целью исследования гистерезисного поведения магнитосопротивления гранулярных ВТСП и его взаимосвязи с магнитным гистерезисом проведены измерения магнитосопротивления R(H) и критического тока IC(Н) композитов из ВТСП
Y3/4Lu1/4Ba2Cu3O7 и CuO. В таких композитах реализуется сеть джозефсоновских переходов, причём несверхпроводящий ингредиент выступает в качестве барьеров между ВТСП гранулами. Гистерезисные зависимости магнитосопротивления R(H) исследованы в широком диапазоне плотности транспортного тока j и проанализированы в рамках двухуровневой модели гранулярного сверхпроводника, в которой диссипация происходит в джозефсоновской среде, а магнитный поток может закрепляться как в гранулах, так и в джозефсоновской среде. Экспериментально продемонстрирована взаимосвязь между гистерезисом критического тока IC(Н) и эволюцией гистерезисной зависимости магнитосопротивления R(H) при варьировании транспортного тока. Исследовано влияние магнитной предыстории на гистерезисное поведение R(H) и появление участка с отрицательным магнитосопротивлением. Впервые показано, что зависимости R(H) характеризуются независящим от транспортного тока параметром - шириной петли гистерезиса R(H). Это проиллюстрировано на рис. 4a, b. На рис. 4a приведены гистерезисные зависимости R(H) образца YBCO + 30CuO при различных значениях транспортного тока I (2, 4, 7, 10 mA – снизу вверх) и различных величинах максимально приложенного поля Hmax = 1, 2, 3…7 kOe при T = 4.2 K. А на рис. 4b показана ширина гистерезиса магнитосопротивления ΔHR=const = H↓ – H↑ при R=const (транспортный ток 2–10 mA ) в зависимости от значений H↓ для данных R(H) образца YBCO + 30CuO рис. 4a. Такое поведение указывает на то, гистерезис магнитосопротивления определяется только магнитным потоком, захваченным в сверхпроводящих гранулах, а влияние захвата магнитного потока в джозефсоновской среде несущественно для гистерезиса транспортных свойств исследованных объектов.

2007_3_4a.gif

Рис. 4.a Зависимости R(H) образца YBCO + 30CuO при различных значениях транспортного тока I (2, 4, 7, 10 mA – снизу вверх) и различных величинах максимально приложенного поля Hmax = 1, 2, 3…7 kOe при T = 4.2 K. Стрелки указывают направление изменения внешнего поля H. Зависимости R(H↑) (поле возрастает) показаны закрытыми символами, а зависимости R(H↓) (поле убывает) – открытыми символами. Штриховые линии поясняют определение значения полевой ширины гистерезиса ΔHR=const=H↓- H↑,

2007_3_4b.gif

Рис. 4b Ширина гистерезиса магнитосопротивления ΔHR=const=H↓ - H↑ при R=const (транспортный ток 2-10 mA ) в зависимости от значений H↓ для данных R(H) образца YBCO + 30CuO на рис. 4.a

  1. Балаев Д.А., Гохфельд Д.М., Дубровский А.А., Попков С.И., Шайхутдинов К.А., Петров М.И., Гистерезис магнитосопротивления гранулярных ВТСП как проявление магнитного потока, захваченного сверхпроводящими гранулами, на примере композитов YBCO + CuO, ЖЭТФ, 2007,Т. 132, выпуск 6, с. 1340-1352.
  2. Balaev D.A., Gokhfeld D.M., Popkov S.I., Shaykhutdinov K.A., Petrov M.I. Hysteretic behavior of the magnetoresistance and the critical current of bulk Y3/4Lu1/4Ba2Cu3O7 + CuO composites in a magnetic field // Physica C. – 2007. – V. 460-462. - № 2. – P. 1307-1308.

Лаборатория сильных магнитных полей