Основные достижений 2020 г.

Механизм сверхбыстрого оптического контроля обменного взаимодействия в магнитных диэлектриках при фемтосекундной накачке

ПРОЕКТ РНФ № 18-12-00022 «ВЛИЯНИЕ ОБМЕННОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ МЕЖДУ ВОЗБУЖДЕННЫМИ СОСТОЯНИЯМИ НА СПИНОВЫЕ КРОССОВЕРЫ В РАВНОВЕСНЫХ И НЕРАВНОВЕСНЫХ УСЛОВИЯХ»

Руководитель – д.ф.-м.н. Овчинников С. Г.

Разработан метод расчета изменений обменного взаимодействия между соседними магнитными ионами в магнитных диэлектриках при селективном возбуждении катиона фемтосекундными импульсами. Рассчитаны обменные взаимодействия в FeBO₃ между катионами Fe⁺³, антиферромагнитное для пары ионов в основном состоянии, а также его изменения при оптической накачке d-d электронных переходов. Показано, что при накачке в B-полосу спектра поглощения с энергией фононов 2 эВ возбужденный ион взаимодействует с соседним невозбужденным ионом ферромагнитным образом. При накачке в С-полосу с энергией 2.8–3 эВ обменное взаимодействие с возбужденным катионом отсутствует.

Эти расчеты объяснили причину возникновения периодических колебаний намагниченности FeBO₃ при фемтосекундной накачке, наблюдавшиеся в pump-probe экспериментах международного коллектива с участием ФТИ им. Иоффе РАН (С.Петербург), университетов Наймегена (Нидерланды) и Ланкастера (Британия). Подобные исследования важны для разработки полностью оптической записи и считывания магнитной информации, что позволит значительно ускорить работу компьютеров.

Рис. 1 Схема магнитного упорядочения в FeBO₃ с двумя почти антиферромагнитными подрешетками в основном состоянии (внизу, небольшой угол скоса подрешеток обусловлен другими взаимодействиями, несущественными для данной работы). Вверху показано, что после поглощения кванта света каждым из двух катионов знак обмена меняется, и оба спина становятся почти параллельными.

1. R.V.Mikhaylovskiy, T. J. Huisman, V. A. Gavrichkov, S. I. Polukeev, S. G. Ovchinnikov, D. Afanasiev, R. V. Pisarev, Th. Rasing, A. V. Kimel, Resonant pumping of d-d crystal field electronic transitions as a mechanism of ultrafast optical control of the exchange interactions in iron oxides //
   Physical Review Letters 125, 157201 (2020).

 

Расшифровка магнитной структуры наночастиц e-Fe₂O₃
с помощью метода ядерного рассеяния вперёд

ПРОЕКТ РНФ № 17-12-01111 «КЛЮЧЕВАЯ РОЛЬ ПОВЕРХНОСТИ В ФОРМИРОВАНИИ МАГНИТНЫХ СВОЙСТВ НАНОРАЗМЕРНЫХ ЧАСТИЦ: НОВЫЕ ПОДХОДЫ К ИЗУЧЕНИЮ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ С ИХ УЧАСТИЕМ»

Руководитель – д.ф.-м.н. Балаев Д. А.

Модификация оксида железа (III) e-Fe₂O₃ существует только в наномасштабе и является уникальным по своим магнитным свойствам: наночастицы e-Fe₂O₃ размерами 20–30 нм демонстрируют коэрцитивную силу около 20 кЭ при комнатной температуре, что делает материалы на основе наночастиц этого оксида перспективными для различных применений. Однако определение типа магнитной структуры в зависимости от температуры для частиц столь малых размеров представляет существенные трудности.

Рис. 2 Спектры ядерного рассеяния вперёд образца ε-Fe2O3 со средним размером 8 нм, полученные в диапазоне температур 4–300 К без внешнего магнитного поля (a) и во внешнем магнитном поле 4 Тл (b)

Рис. 3 Векторная диаграмма магнитной структуры ε-Fe2O3. Стрелки показывают средние относительные значения полярного угла Ѳ вектора Hhf.

 

На источнике синхротронного излучения (станция ID18, ESRF, Гренобль, Франция) были получены спектры ядерного рассеяния вперёд наночастиц со средним размером 8 нм при различных внешних условиях. Эти измерения позволили впервые получить векторную диаграмму «магнитная структура – температура». При 280 К магнитная структура ε-Fe₂O₃ представляется коллинеарным ферримагнетиком. Понижение температуры приводит к скосу магнитных моментов (150–80 К) и, в конечном итоге, формированию спирального типа упорядочения в этом материале после завершения метамагнитного перехода (интервал 80– 4 К).

Yu. V. Knyazev, A. I. Chumakov, A. A. Dubrovskiy, S. V. Semenov, I. Sergueev, S. S. Yakushkin, V. L. Kirillov, O. N. Martyanov, D. A. Balaev, Nuclear forward scattering application to the spiral magnetic structure study in ε-Fe₂O₃ //
Physical Review B 101, 094408 (2020).

СВЧ полосно-пропускающий фильтр и поляризатор из диэлектрических слоев с субволновыми решетками полосковых проводников

СОГЛАШЕНИЕ № 075-11-2019-078 МИНОБРНАУКИ РФ «СОЗДАНИЕ ВЫСОКОТЕХНОЛОГИЧНОГО ПРОИЗВОДСТВА ЗЕМНЫХ СТАНЦИЙ ПЕРСПЕКТИВНЫХ СИСТЕМ СПУТНИКОВОЙ СВЯЗИ ДЛЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ СВЯЗАННОСТИ ТРУДНОДОСТУПНЫХ, СЕВЕРНЫХ И АРКТИЧЕСКИХ ТЕРРИТОРИЙ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ» ПО ПОСТАНОВЛЕНИЮ № 218 ПРАВИТЕЛЬСТВА РФ от 09.04.2010

Руководитель – д.т.н. Беляев Б. А.

СВЧ поляризатор [1] и фильтр [2] состоят из спрессованных диэлектрических слоев, на поверхностях которых изготовлены субволновые металлические решетки в виде параллельных полос, сеток и патчей. Резонаторы в структуре состоят из двух диэлектрических слоев, разделенных наружными и внутренними решетками.

Поляризатор вдвое увеличивает емкость канала в радиорелейной связи, при передаче сигнала в одной полосе на двух ортогональных поляризациях. В многоканальных системах связи с близкими полосами пропускания использование двух чередующихся ортогональных поляризаций позволяет значительно уменьшить взаимное влияние смежных каналов.

Полосно-пропускающий фильтр может служить основой при изготовлении панелей радиопрозрачных в заданном диапазоне частот укрытий для приемо-передающих антенн.

Рис. 4 Амплитудно-частотные характеристики поляризатора (слева) и фильтра (справа). Линии – расчет, точки – эксперимент. Вверху фотографии устройств – (a) и фрагменты наружных – (b) и внутренних – (c) решеток полосковых проводников их резонаторов.

1. Б.А. Беляев, В. В. Тюрнев, Многослойный полосно-пропускающий фильтр //
   Патент № 2619137, выдан 12.05.2017.
2. Б.А. Беляев, В. В. Тюрнев, Полосно-пропускающая частотно-селективная поверхность //
   Патент № 2687878, выдан 16.05.2019.
3. Б.А. Беляев, В. В. Тюрнев, А. С. Волошин, Ан. А. Лексиков, Р. Г. Галеев, В. Ф. Шабанов, Полосно-пропускающий фильтр-поляризатор на диэлектрической слоистой структуре с решетками полосковых проводников //
   Доклады Академии наук 493, 5 (2020).
4. Б.А. Беляев, В. В. Тюрнев, А. С. Волошин, Ан. А. Лексиков, Р. Г. Галеев, В. Ф. Шабанов, Полосно-пропускающий фильтр из диэлектрических слоев с субволновыми решетками полосковых проводников на границах //
   Доклады Академии наук 494, 75 (2020).

Установка для синтеза частиц с магнитной и вихревой стабилизацией плазмы

ПРОЕКТ «ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ОСНОВЫ, МАТЕРИАЛЫ, СТРУКТУРЫ И УСТРОЙСТВА СПИНОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ» (0356-2019-0007)

Руководитель – д.ф.-м.н. Балаев Д. А., исполнитель – д.т.н. Чурилов Г. Н.

Разработан генератор плазмы [1] и на его основе изготовлена установка для плазмохимического нанесения оболочек на поверхность вводимых частиц, рис. 5. Благодаря вихревой подаче стабилизирующего газа, осевому магнитному полю, синфазному току разряда, установка позволяет получать плазму, не загрязненную материалами стенок плазмотрона. С ее помощью можно синтезировать чистые композиционные материалы с контролируемым стехиометрическим составом.

Рис. 5 Принципиальная схема установки для синтеза частиц с магнитной и вихревой стабилизацией плазмы: 1 – поток плазмы, 2 – торцевые полые водоохлаждаемые электроды, 3 – керамическая камера стабилизации, 4 – катушка стабилизации, 5 – каналы для подачи стабилизирующего газа,  6 – водоохлаждаемая камера, заполненная гелием.	Рис. 6 СЭМ-изображение типичной частицы порошка (Mg@C)@Pd после 10-ти циклов гидрирования/дегидрирования

 

Частицы ядро-оболочка обладают многими интересными свойствами. Их называют сверхатомами в том случае, если материал ядра и окружающий его материал оболочки отличаются разной шириной запрещенной зоны. Используя установку (рис. 5) нами впервые были получены и исследованы порошки с частицами (Mg@C)@Pd (рис. 6). Такие частицы могут быть использованы для решения задач водородной энергетики, поскольку углерод и палладий в виде сплошных оболочек непроницаемы для кислорода и паров воды, частицы обладают способностью к объёмной диффузии водорода. Полученные порошки с частицами (Mg@C)@Pd обладают высокой сорбционной способностью, количество запасенного водорода в течение 5-ти циклов составляет 6.95 вес.%. Этот результат соответствует ведущим мировым достижениям в этой области.

1. Г.Н. Чурилов, Н. С. Николаев, Н. Г. Внукова, Способ синтеза частиц со структурой ядро-оболочка //
   Патент № 2727436, выдан 21.07.2020.
2. N. Churilov, N. S. Nikolaev, G. A. Glushenko, V. I. Еlesina, V. G. Isakova, Ye. V. Tomashevich, Obtaining particles with the structure Mg@C and (Mg@C)@Pd, their properties and stability in the hydrogenation/dehydrogenation processes //
   International Journal of Hydrogen Energy (2020).