Основные научные достижения 2023

Майорановские вихревые моды, индуцированные магнитным порядком
 в топологических сверхпроводниках

Проект государственного задания № FWES-2021-0035 «Физика упорядоченных состояний в конденсированных веществах: синтез новых материалов, эксперимент и теория». Руководитель – д.ф.-м.н. Овчинников С. Г.

Грант Фонда развития теоретической физики и математики «Базис». Руководитель к.ф.-м.н. Злотников А. О.

В последнее время огромный интерес прикован к топологическим сверхпроводящим структурам, в которых формируются майорановские моды, актуальные для реализации кубитов без эффектов декогеренции. Среди них выделяются сверхпроводники, приведенные в контакт с магнитными цепочками или слоями (например, Re/Fe). В данной работе показано формирование майорановских вихревых мод, локализованных вблизи вихревых нитей, в структуре с треугольной решеткой, содержащей сверхпроводящий слой и магнитный слой со 120-градусным спиновым упорядочением (см. рис. a). При этом нетривиальная топология сверхпроводящей фазы связана именно с неколлинеарным магнетизмом, а не со спин-орбитальной связью, как в альтернативных системах. Проведенные расчеты локальной плотности состояний (LDOS, рис. b) показали возможность наблюдения резонансов от майорановских вихревых мод в дифференциальной проводимости, измеряемой в ядрах вихрей с помощью иглы сканирующего туннельного микроскопа, в отличие от результата для мод, локализованных вблизи границы структуры.

Рис. (a) Схематический вид модели на треугольной решетке: цветные стрелки показывают направления намагниченности, черные – фазу и амплитуду сверхпроводящего параметра порядка при наличии вихря в центре решетки. (b) Зависимость локальной плотности состояний от энергии вблизи ядра вихря (красная линия), вблизи границы решетки (синяя линия) и вдали от неоднородностей (черные линии). На вставке к рисунку приведено пространственное распределение майорановских мод на решетке с вихрем в центре (светлый цвет – максимум, темный – вблизи нуля).

A. O. Zlotnikov. Majorana Vortex Modes in Spin-Singlet Chiral Superconductors with Noncollinear Spin Ordering:Local Density of  States Study // Phys. Rev. B 107, 144513 (2023). DOI: 10.1103/PhysRevB.107.144513 (Impact Factor WoS/Scopus – 3.7/3.621, Q1).

 

Фотодетектор горячих электронов на основе таммовского плазмон-поляритона
с чувствительностью по длине волны и углу падения

Проект РНФ-МНТ № 22-42-08003 «Метаповерхности на основе топологически устойчивых таммовских плазмон-поляритонов для беззеркальных лидаров и интеллектуальных телекоммуникаций».
Руководитель – д.ф.-м.н. Тимофеев И. В. 

Таммовский плазмон-поляритон – состояние света, локализованное на границе многослойного зеркала и металлической пленки. Привлекательность этого типа локализованного состояния обусловлена возможностью создания на его основе принципиально нового класса устройств, таких как лазеры, источники одиночных фотонов, переключатели и поглотители. Авторами на основе этого локализованного состояния экспериментально реализован фотодетектор горячих электронов, обеспечивающий чувствительность как по длине волны, так и по углу падения. Показано, что фоточувствительность устройства увеличивается с 0 до 330 мкА/Вт при увеличении угла падения с 0 до 50 градусов (рис. а), в то время как при нормальном падении на длине волны 517 нм фоточувствительность достигает 271 мкА/Вт (рис. b).

Рис. Зависимости фоточувствительности структуры многослойное зеркало–графен–металл (а) от угла падения излучения на золото при длине волны 850 нм.; (b) от длины волны при нормальном падении на серебро.

1. -H. Huang, C.-H. Wu, R.G. Bikbaev, M.-J. Ye; C.-W. Chen, T.-J. Wang, I.V. Timofeev, W. Lee, K.-P. Chen Wavelength- and Angle-Selective Photodetectors Enabled by Graphene Hot Electrons with Tamm Plasmon Polaritons. Nanomaterials 13, 693 (2023). DOI 10.3390/nano13040693 (Impact Factor WoS/Scopus – 5.3/5.509, Q1)
2. A. Romanenko, P.S. Pankin, D.S. Buzin, D.N. Maksimov, V.S. Sutormin, A.I. Krasnov, F.V. Zelenov, A.N. Masyugin, S.V. Nedelin, N.A. Zolotovskiy, I.A. Tambasov, M.N. Volochaev, K.-P. Chen, I.V. Timofeev Metal–dielectric optical microcavity with tunable Q factor // Applied Physics Letters 123, 061113 (2023). DOI10.1063/5.0157430 (Impact Factor WoS/Scopus – 4/3.943, Q1)
3. R.G. Bikbaev, K.-P. Chen, I.V. Timofeev Two-Dimensional Dynamic Beam Steering by Tamm Plasmon Polariton. Photonics 10, 1151 (2023). DOI 10.3390/photonics10101151 (Impact Factor WoS/Scopus – 2.536/2.416, Q2)
4. R.G. Bikbaev, D.N. Maksimov, P.S. Pankin, M.-J. Ye, K.-P. Chen, I.V. Timofeev Enhanced light absorption in Tamm metasurface with a bound state in the continuum // Photonics and Nanostructures-Fundamentals and Applications 55, 101148 (2023). DOI 10.1016/j.photonics.2023.101148 (Impact Factor WoS/Scopus – 2.7/2.878, Q2)

 

Монолитный фильтр на полосковых резонаторах, изготовленный по технологии многослойных печатных плат

Проект государственного задания № FWES-2021-0036 «Создание и исследование функциональных материалов и структур для устройств фотоники, микро- и оптоэлектроники». Руководители: д.т.н. Беляев Б. А., д.ф.-м.н. Зырянов В. Я.

Разработана монолитная конструкция миниатюрного полосно-пропускающего фильтра сантиметрового диапазона длин волн, предназначенная для серийного производства по технологии многослойных печатных плат. Особенностью конструкции являются четвертьволновые резонаторы с расщепленными препрегом двухслойными полосковыми проводниками, в которых один из проводников разрезан поперечной щелью. На многослойной печатной плате площадью 460´610 мм² разместилось 480 фильтров, из которых 390 (81%) соответствовали техническому заданию. Готовится серийное производство фильтров на АО «НПП «Радиосвязь» г. Красноярск.

Рис. 3D-модель монолитного фильтра пятого порядка ‒ (а), фотография опытного образца ‒ (б) и АЧХ устройства ‒ (в), линии – расчет, точки – эксперимент.

Патент: Я. Ф. Бальва, А. А. Лексиков, Н. М. Боев, Р. Г. Галеев, М. С. Самсонов, Монолитный полосковый фильтр. Патент на изобретение РФ № 2793575 (2023).

Публикация: И.В. Говорун, Б.А. Беляев, Я.Б. Завьялов, Т.Ю. Шумилов, А.О. Афонин, А.В. Угрюмов, Р.Г. Галеев Монолитный фильтр с центральной частотой полосы пропускания 10 ГГц на полосковых резонаторах с расщепленным проводником // ДАН. Физика, Технические науки 513, 87-93 (2023). DOI: 10.31857/S268674002306007X.

 

Устройство для передачи электрической энергии  на
промышленной частоте через проводящий экран

Проект государственного задания № FWES-2022-0007 «Разработка и производство новых сверхвысокочастотных устройств, приборов для измерения параметров магнитных полей, устройств на основе тонких магнитных пленок, автоматизированных научных установок и систем магнитной связи». Руководитель – к.ф.-м.н. Боев Н. М.

При решении различных технических задач требуется обеспечение возможности передачи информации и/или электрической энергии через металлические экраны, в том числе внутрь полностью замкнутых металлических конструкций. Как правило, для решения таких задач используют ультразвуковые или электромагнитные приемопередатчики с очень низким коэффициентом полезного действия. Предложено новое техническое решение, включающее систему индуктивно связанных параллельных колебательных контуров (рис. a), параметры которых выбраны таким образом, что на промышленной частоте 50/60 Гц в связанных контурах наблюдается резонанс, причем разница токов в катушках находится в диапазоне 170°…180°. Так как между катушками размещен проводящий экран, в нем возбуждаются вихревые токи, но поскольку токи в катушках практически противофазны, то происходит компенсация наводимых в экране вихревых токов. При этом толщина экрана должна быть меньше глубины скин-слоя. На рис. b приведен пример численного расчета коэффициента передачи электрической энергии на частоте 50 Гц для проводящего экрана толщиной 5 мм при различных величинах проводимостей экрана.

                                                                           (a)                                                                           ( b)

Рис. Электрическая функциональная схема устройства для передачи электрической энергии токов промышленной частоты через проводящий экран – (a) и результаты численного расчета коэффициента передачи устройства для различных величин проводимостей экрана толщиной 5 мм – (b)

Патент: Н.М. Боев, С.Д. Креков, И.В. Подшивалов, П.Н. Соловьев, А.В. Изотов, И.А. Негодеева, А.А. Александровский Устройство для передачи электрической энергии на промышленной частоте через проводящий экран // Патент на изобретение РФ № 2801388 (2023).