Основные достижения 2012 г.

Диэлектрическая спектроскопия и дистанционная диагностика почвенного покрова и горных пород в радиоволновом диапазоне частот

 

advt_rdz2.jpgadvt_rdz2.jpg

 

Рис. 1. Влажность территории Австралии, определенная спутником SMOS с использованием диэлектрических моделей, созданных: а) в США и б) в ИФ СО РАН.

В Институте физики им. Л.В. Киренского Сибирского отделения РАН создана модель диэлектрической проницаемости почв, которая включена в 2012 г. в состав алгоритма Европейского космического аппарата SMOS и обеспечивает глобальный мониторинг влажности почвенного покрова на основе измерений радиотеплового излучения поверхности Земли. Решение Европейского космического агентства о включении этой модели в состав алгоритма SMOS было принято после двухлетних сравнительных испытаний с конкурирующей моделью, созданной в США.

В качестве иллюстрирующего примера на рис. 1 приведены карты влажности территории Австралии, полученные с помощью спутника SMOS. Отмеченные черным цветом области, на которых алгоритм SMOS не может определить влажность, существенно сокращаются при использовании диэлектрической модели ИФ СО РАН. При этом границы перехода между влажными и сухими участками становятся плавными, что соответствует данным наземных тестовых измерений.

 

Руководитель – чл.-корр РАН Миронов В. Л.
Лаборатория радиофизики дистанционного зондирования

Реализация оптического затвора дипольными модами в фотонно-кристаллических волноводах

advt_tnp1.jpgadvt_tnp2.jpg

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Показано, что дипольные резонансные моды нелинейного керровского дефекта имеют кардинальный эффект на транспортные характеристики фотонно-кристаллических волноводов различных конфигураций, в частности крестового волновода. Существует стабильное решение, в котором входящий свет возбуждает лишь дипольную моду, совместимую с симметрией света. Тогда свет может распространяться лишь в направлении входного света (Рис. a). В линейном случае имел бы место лишь такой режим распространения света. Однако в силу нелинейной связи между дипольными модами нелинейного дефекта, существует также стабильное решение, в котором входящий свет возбуждает обе дипольные моды. В результате возбуждение нечетной дипольной моды индуцирует выходы и в поперечные рукава, как показано на рис. b. При этом выходы в обе поперечные стороны совпадают. Наконец, может реализоваться третий тип решения нелинейных уравнений, в котором выходы в поперечные направления не совпадают, т. е. имеет место нарушение симметрии относительно направления вверх-низ. Эти результаты открывают новую возможность переключателя световых потоков за счет подачи импульсов входного света, которые способны инициировать переходы между различными стабильными решениями.

Кроме того, показано, что вторая дипольная мода может возбуждаться с отставанием по фазе, что приводит к образованию гигантского оптического вихря (представлено на обложке Journal of Optical Society of America B [2]).1. Bulgakov E.N.,

  1. Sadreev A.F. Giant optical vortex in photonic crystal waveguide // Phys. Rev.B. 2012. V.85. P. 165305.
  2. Bulgakov E.N., Sadreev A.F. Symmetry breaking in photonic crystal waveguide coupled with the dipole modes of a nonlinear optical cavity // J. Opt. Soc. Am. B. 2012. V. 29. P.2924.
  3. Bulgakov E.N., Sadreev A.F. All-optical manipulation of light in X- and T-shaped photonic crystal waveguides with a nonlinear dipole defect // Phys. Rev. B. 2012. V. 86. P.075125.

Лаборатория теории нелинейных процессов

Частотно-селективные СВЧ устройства на оригинальных двухмодовых микрополосковых резонаторах

В микрополосковом резонаторе с расщепленным проводником обнаружены четная и нечетная моды колебаний, соотношение резонансных частот которых можно изменять в широких пределах (рис. 1). При этом частота нечетной моды
быстро понижается с увеличением длины щели, а частота четной моды почти не изменяется. В случае, когда частоты мод колебаний совпадают, один такой резонатор заменяет два традиционных резонатора в конструкциях СВЧ фильтров.
На основе исследованного двухмодового резонатора разработаны миниатюрные частотно-селективные устройства, обладающие высокими электрическими характеристиками [Письма в ЖТФ, 2012. Т. 38, № 16. С. 25-33; Письма в ЖТФ, 2012. Т. 38, № 18. С. 31-40] (Рис. 2).

advt_edsvch1.jpg

advt_edsvch2.jpg

Рис. 1. Зависимость резонансных частот двух нижайших
мод колебаний от относительной длины щели, расщеп-
ляющей проводник микрополоскового резонатора.
Рис. 2. Фотографии и АЧХ опытных образцов
частотно-селективных устройств.

 

Лаборатория электродинамики и СВЧ электроники 

Предсказание металлического пояса внутри диэлектрической нижней мантии Земли

advt_fmya1.jpg

В Институте физики им. Л.В. Киренского СО РАН выполнен цикл работ по исследованию электронных и магнитных свойств оксидных материалов при сверхвысоких давлениях более 100 ГПа. Построена фазовая диаграмма магнезиовюстита Mg1-xFexO, в котором давление приводит к металлизации за счет перехода Мотта, и потом дальнейшее увеличение давления приводит к диэлектрическому состоянию за счет спинового кроссовера ионов Fe+2 из высокоспинового в низкоспиновое состояние [1]. Сравнение с распределением температур и давлением по глубине Земли позволило предсказать наличие металлического слоя внутри нижней мантии Земли на глубинах 1400-1800 км [2] (Рис. 1).

  1. Овчинников С.Г. Металлизация и спиновый кроссовер при высоком давлении в магнезиовюстите Mg1-xFexO // Письма в ЖЭТФ. 2011. Vol. 94. P. 210-214.
  2. Овчинников С.Г., Овчинникова Т.М., Дядьков П.Г., Плоткин В.В., Литасов К.Д. Электрические свойства магнезиовюстита (Mg1-xFexO) в условиях нижней мантии Земли // Письма в ЖЭТФ. 2012. T. 96, вып.2. C. 135.

Лаборатория физики магнитных явлений

Прямое наблюдение магнитных подрешеток в ферримагнитных монокристаллах людвигита с помощью рентгеновского магнитного кругового дихроизма

В Институте физики им. Л.В. Киренского синтезированы новые монокристаллы людвигита Co2FeBO5, содержащего разные магнитные ионы кобальта и железа и исследованы их магнитные свойства [Письма в ЖЭТФ, 2012. Т. 96. С. 723-727]. Синхротронные измерения спектров поглощения (XAS) и спектров магнитного кругового дихроизма (XMCD) вблизи L2,3 краев кобальта и железа были выполнены на синхротроне BESSY-2 (г. Берлин). Анализ данных XAS позволил определить валентности ионов Fe+3, Co+2. На рис. 2 показаны результаты элементно-чувствительной магнитометрии - магнитные петли гистерезиса, снятые отдельно от ионов Co и Fe. Видна их противоположная ориентация.

advt_fmya2.jpg

advt_fmya3.jpg

Рис.2. Магнитные петли гистерезиса, снятые
вблизи L2,3 краев поглощения Co, Fe
показывают противоположную ориентацию
подрешеток Co и Fe.

Рис.3. Температурные зависимости моментов для ионов Fe+3,
Co+2 по отдельности. Их разные знаки также указывают на фер-
римагнитный порядок. На вставке показана температурная зави-
симость интегральной намагниченности, полученной с приме-
нением стандартного СКВИД магнитометра.

 

Лаборатория физики магнитных явлений

Механизм формирования микроскопически однородной фазы сосуществования сверхпроводимости и антиферромагнетизма в CeRhIn5

advt_tph.jpgДля редкоземельного интерметаллида CeRhIn5 развита теория, позволившая объяснить сверхпроводящее состояние в окрестности квантовой критической точки, где индуцируется дальний антиферромагнитный порядок. Сосуществование сверхпроводимости (SC) и антиферромагнетизма (AFM) экспериментально наблюдается в отмеченной области в CeRhIn5 и CePt2In7. Показано, что куперовское спаривание и антиферромагнитное упорядочение возникают в результате эффективного взаимодействия, обусловленного процессами гибридизационного смешивания между состояниями коллективизированных электронов CeRhIn5 и высокоэнергетическими состояниями подсистемы ионов церия. Из представленных на рис. 1 зависимостей намагниченности подрешетки R и амплитуды сверхпроводящего параметра порядка  от величины внешнего давления видно, что в левой окрестности Pc (значение давления, при котором происходит квантовый фазовый переход с разрушением антиферромагнитного упорядочения) реализуется микроскопически однородная фаза сосуществования сверхпроводимости и антиферромагнетизма.

  1. Вальков В.В., Злотников А.О. // Письма в ЖЭТФ. 2012. Т. 95, № 7. С. 390-396.

Лаборатория теоретической физики

Упругие, пьезоэлектрические и поляризационные свойства кристалла α-SrB4O7

Методом спектроскопии комбинационного рассеяния измерены частоты колебаний кристаллической решетки кристалла α-SrB4O7 в центре зоны Бриллюэна. В рамках метода функционала плотности вычислены частоты колебания решетки и плотность фононных состояний (рис. 1). В низкоэнергетическом спектре частот до 100 см-1 в собственных векторах колебаний смещаются преимущественно ионы стронция, а смещения ионов кислорода и бора пренебрежимо малы. В спектре колебаний выше 100 см-1 ситуация обратная. Сравнение экспериментальных и расчетных значений показывает удовлетворительное согласие.

Предложена гипотетическая центросимметричная парафаза с пространственной группой симметрии Pnmm, в которой ионы бора разупорядочены по двум равновероятным положениям равновесия в правильной бипирамиде BO5 (Рис. 2), для объяснения наблюдаемой в тетраборате стронция α-SrB4O7 доменной структуры. Предположение о гипотетической неполярной парафазе позволило вычислить в экспериментально наблюдаемой структуре спонтанную поляризацию, величина которой ~114 мкКл/см2 в несколько раз превышает величину поляризации в классическом сегнетоэлектрике типа BaTiO3.

advt_cph1.jpg

advt_cph2.jpg

Рис. 1. Вычисленные полная и частичные
плотности фононных состояний кристалла
α-SrB4O7 в полярной ромбической фазе.
Рис.2. Идеализированная структура кристалла α-SrB4O7:
а) в полярной фазе Pnm21, штрихованными линиями показан
пустой тетраэдр в бипирамиде;
б) два положения иона бора в неполярной фазе Pnmm.

 

Лаборатория кристаллофизики

Высокоэффективная технология получения высших, эндоэдральных фуллеренов

advt_amiv.jpgПоказано, что увеличение давления гелия в диапазоне 0.1–0.4 МПа приводит к увеличению температуры вблизи оси дугового разряда и температурного радиального градиента в плазме дуги. Первое обеспечивает быстрый и эффективный переход вещества в плазменное состояние, а второе - быструю коагуляцию вещества из молекулярного и кластерного состояния, имеющего достаточно хороший разрешенный энергетический спектр излучения, в крупные частицы с неразрешенным спектром излучения. Также это приводит к большему содержанию высших фуллеренов в образующемся углеродном конденсате относительно их общего количества. Увеличение содержания высших фуллеренов с ростом температурного градиента хорошо объясняется более быстрым переходом кластеров из области с высокой температурой в область с низкой температурой. Впервые экспериментально удалось подтвердить, что механизм “shrinking hot giant road of fullerene formation” действительно вносит существенный вклад в процесс образования фуллеренов, т. е. существует необходимость учета не только термодинамической, но и кинетической устойчивости.

 Рис. 1. Хроматограммы фуллереновых смесей, экстрагированных из углеродных саж, полученных при разных давлениях.

Лаборатория аналитических методов исследования вещества