Лаборатория физики магнитных явлений

Сотрудники лаборатории

Важнейшие публикации

Наиболее значимые результаты исследований

Лаборатория физики магнитных явлений сегодня (2017 год)

Современная лаборатория физики магнитных явлений характеризуется сочетанием нескольких взаимопроникающих и поддерживающих друг друга направлений. Есть две технологических группы: молекулярно –лучевая эпитаксия магнитных пленок и наноструктур в сверхвысоком вакууме (Сергей Николаевич Варнаков, Иван Александрович Яковлев, Сергей Александрович Лященко, Иван Анатольевич Тарасов, Дмитрий Валентинович Шевцов), рост магнитных монокристаллов и поликристаллов (Валерий Васильевич Руденко и Вячеслав Анатольевич Дудников), экспериментальные группы магнитооптических исследований магнитных материалов (Ирина Самсоновна Эдельман, Руслан Дмитриевич Иванцов, Оксана Станиславовна Иванова, Дмитрий Анатольевич Петров), спектроскопии магнитных материалов (Александр Валентинович Малаховский, Александр Леонидович Сухачев), группа транспортных и магнитных исследований (Наталья Валерьевна Казак), которая также активно использует современные синхротронные методики рентгеновской спектроскопии (Михаил Сергеевич Платунов), группа исследования магнитных наночастиц для биомедицинских применений (Алексей Эдуардович Соколов), группа синхротронных исследований структуры биомолекул с помощью малоуглового рассеяния рентгеновских лучей (Владимир Николаевич Заблуда). Есть две теоретические группы: расчеты методами теории функционала плотности свойств твердотельных материалов (Александр Семенович Федоров) и биомолекул (Феликс Николаевич Томилин), и группа по созданию новых методов расчета материалов с сильными электронными корреляциями (С.Г. Овчинников, Игорь Семенович Сандалов, Владимир Александрович Гавричков, Максим Михайлович Коршунов, Елена Игоревна Шнейдер, Юрий Сергеевич Орлов и Илья Александрович Макаров).

Казалось бы, при такой разнородности и широте тематик неминуема самоизоляция каждой группы. На самом деле это не так. Один пример: технологи из группы С.Н. Варнакова получили высококачественную монокристаллическую пленку ферромагнитного силицида Fe3Si, группа теоретиков под руководством И.С. Сандалова выполнила расчеты электронной структуры и оптических спектров поглощения тремя различными вариантами учета электронных корреляций за пределами теории функционала плотности, сравнение с измеренными экспериментально спектрами показало, что только наилучший с точки зрения теории метод с самосогласованным расчетом массового оператора дает согласие с экспериментов во всем диапазоне частот. Таких примеров можно привести немало.

Например, в группе И.С. Эдельман исследовались магнитооптические пленки наночастиц грейгита Fe3S4, а в группе А.С. Федорова были проведены зонные расчеты спин-поляризованных плотностей состояний. Было обнаружено совпадение энергий наблюдаемых пиков в спектрах с энергиями наиболее интенсивных межзонных переходов.

Другой пример: Н.В. Казак исследовала при низких температурах магнитные свойства редкоземельных кобальтитов GdCoO, полученных В.А. Дудниковым, и выделила вклад ионов гадолиния, сам В.А. Дудников провел высокотемпературные магнитные измерения и выделил вклад кобальта, А.С. Федоров и АА. Кузубов рассчитали в теории фукнционала плотности параметры элементарной ячейки в двух возможных состояниях ионов кобальта с высоким спином и с низким спином, прецизионная рентгеновская диффракция в широком интервале температур, измеренная Леонидом Александровичем Соловьевым из института химии и химической технологии, обнаружила области в образце с параметрами высокоспинового и низкоспинового состояния, А.Э. Соколов и В.Н. Заблуда исследовали спектры поглощения, Ю.С. Орлов рассчитал электронную структуру с учетом сильных электроных корреляций. В результате такого комплексного подхода была установлена природа необычно сильной связи между свойствами решетки, электронной и магнитной подсистем в редкоземельных кобальтитах.

Основные результаты  лаборатории «Физика магнитных явлений» в 2017 г.

1. Магнитооптика и особенности электронных состояний наночастиц и нанослоев магнитных металлов и их соединений в составе нанострук-турированных композитных материалов и гибридных структур
   (И.С. Эдельман, Р.Д.Иванцов, О.С.Иванова, Ю.Э.Самошкина, В.Н.Заблуда, А.Э.Соколов, Петров Д.А.)
   

   За отчетный период исследовано взаимодействие электромагнитного излучения оптического диапазона с ансамблями наночастиц CuCr2Se4, Dy3Fe5O12 и пленочных структур на основе CuCr2Se4 и PrSrMnO3. Основное внимание уделено магнитному круговому дихроизму (МКД), измеряемому по методике, ранее разработанной участниками проекта. МКД – наиболее информативный магнитооптический эффект с точки зрения расшифровки структуры возбужденных состояний магнитоактивных ионов. Также проведены структурные и магнитные исследования, необходимые для интерпретации магнитооптических данных.

   Впервые синтезированы и изучены ансамбли наночастиц CuCr2Se4 в форме правильных нано-кристаллов, ориентированных в кристаллографичес-кой плоскости (111), в сопоставлении с аналогично ориентированными тонкими пленками такого же состава. Обнаружена тенденция наночастиц образовывать сборки в виде стопок, состоящих из ориентированных плоскостями друг к другу пластин (рисунок 1а). Вследствие магнито-статического взаимодействия в отсутствие внешнего поля магнитные моменты соседних нано-пластинок направлены противоположно друг другу и суммарный магнитный момент всех частиц близок к нулю (рисунок 1 б).

   

   Рис. 1. Электронно-микроскопическое изображение стопок нано-пластин (а), схемы ориентаций магнитных моментов наночастиц в стопках и ориентаций осей легкого намагничивания в отдельной нанопластинке (б).

   При приложении поля все моменты выстраиваются по его направлению, в результате появляется суммарный момент "стопки", что позволяет с помощью магнитного поля перемещать ее в нужном направлении. Показано, что магнитные, резонансные, транспортные и магнитооптические свойства как частиц, так и пленок обусловлены особенностями структуры и магнитной анизотропии.

   Впервые изучен МКД в оптическом диапазоне для ансамбля наночастиц диспрозиевого феррита-граната (ДИГ), синтезированных по новой модификации метода осаждения анионообменной смолы. В спектре МКД выявлены пики, связанные с электронными переходами в ионах железа и диспрозия, расположенных в различных спектральных интервалах (рисунок 2). Были изучены зависимости интенсивности пика МКД от величины температуры и внешнего магнитного поля. Впервые изучена температурная зависимость вклада редкоземельных ионов Dy в спектр МКД, что может быть использовано для более глубокого изучения свойств редкоземельных гранатов в области температуры магнитной компенсации.

   

   Рис. 2. Спектры МКД композитного образца, содержащего наночастицы ДИГ при температурах 90 К (красная линия) и 297 К (черная линия) (а). Максимум МКД, связанный с переходом 6H15/2 →6F5/2 в ионе Dy3+ при различных температурах (б). H=3 кЭ. Tкомпенсации≈215 K.

   Исследованы температурные зависимости магнитной восприимчивости (рисунок 3а) и электронного магнитного резонанса (рисунок 3б) в поликристаллических пленках Pr1−xSrxMnO3/YSZ (x = 0.2, 0.4). На основании результатов этих экспериментов сделано заключение, что в исследованных пленках толщиной 50–130 нм при температурах выше Tc (соответственно 115 К, 215 K) реализуется фаза, подобная фазе Гриффитса, представляющая собой ферромагнитные корреляции ближнего порядка в парамагнитной области.

   

   Рис. 3.Температурные зависимости магнитной восприимчивости и ее обратной величины для Pr1−xSrxMnO3/YSZ (d ∼ 100 нм) (а). Температурные зависимости спектров электронного магнитного резонанса в пленке Pr0.6Sr0.4MnO3/YSZ (d ∼ 130 нм) (б).

2. Отработка технологии создания и исследование магнитных наноструктур ферромагнетик/полупроводник как новых материалов спинтроники
   (С.Н.Варнаков, Лященко С.А., Максимова О.А., Тарасов И.А., Яковлев И.А.)
   

   Синтезированы наноматериалы на основе тонких пленок силицидов железа и марганца с целью создания планарных структур для спинтроники, в том числе пленки Fe1-xSix с сильной одноосной магнитной анизотропией, исследованы структура и магнитные свойства пленок методами in situ магнитооптической эллипсометрии. Предложен метод формирования планарных наноструктур на основе эпитаксиальных пленок Fe1-xSix на поверхности Si(111), выращенных методом молекулярно-лучевой эпитаксии. Проведена модернизация сверхвысоковакуумной многофункциональной установки, позволяющей в едином технологическом цикле получать полупроводниковые или металлические наноструктуры и исследовать их оптические и магнитооптические свойства в температурном диапазоне 85÷900 K. Для этого был разработан оригинальный держатель образца (Рисунок 4).

   

   Рис. 4.Держатель образца. 1 - винт, 2 - шайба, 3 –диэлектрические втулки, 4 - токопровод, 5 - контакты, 6 - ограничители, 7 – ограничительный элемент , 8 - платиновое термосопротивление ЧЭП-2888, 9 - крепление, 10 –держатель образца, 11 - шток, 12 – коаксиальная трубка, 13 -образец, 14 – диэлектрическая пластина.

   Возможности созданной системы были продемонстрированы на примере измерения температурной зависимости спектрограмм комплексной диэлектрической проницаемости объемного Si. Методика анализа магнитооптических данных, получаемых на упомянутой выше магнитоэллипсометрической установке. развита для двуслойной модели ферромагнитных наносруктур. Реализованные алгоритмы позволяют по данным измерений эллипсометрических параметров и поправок в них рассчитывать комплексный коэффициент преломления, а также комплексный магнитооптический параметр Фохта Q.

3. Исследование взаимосвязи электронной структуры и магнитных свойств в новых магнитных материалах с низкомерными магнитными подсистемами и сильными электронными корреляциями с применением синхротронных методов
   (Н.В. Казак, В.А.Дудников, В.В.Руденко)
   

   Для раствор–расплавов на основе тримолибдата висмута (Bi2Mo3O12) определены основные параметры кристаллизации и найдены условия устойчивого роста монокристаллов Mn2-xFexBO4 (x=0.0, 0.3, 0.5, 0.7) и Co2.9Fe0.1BO5. Проведены измерения рентгеновской дифракции, решена кристаллическая структура, определен тип симметрии, параметры решетки. Измерены магнитные характеристики в широком интервале температур (Т=1.8–300 К) и полей (H=0–90 кЭ) при различной ориентации внешнего магнитного поля относительно С-оси. Определены основные параметры магнитной структуры. измерены XANES/EXAFS спектры (K – край поглощения Co, Mn, Fe). Определено отношение катионов Mn/Fe, Co/Fe и проведено уточнение химического состава. Определена симметрия локального окружения, межионные расстояния, фактор Дебая – Уоллера и их температурное изменение. Проведен теоретический расчет XANES спектров в монокристалле Mn2BO4 (FDMNES), анализ электронной структуры, эффективных зарядовых состояний. Выявлено влияние Fe-замещения на кристаллическую, локальную и магнитную структуры. Изучено зарядовое упорядочение в гомометаллическом варвиките Mn2BO4. Проведено измерение рентгеновской дифракции, XANES/EXAFS спектров в широком интервале температур (5-600 К). Получены и исследованы магнитные свойства монокристаллов Co+2 2Co+3 1-xFe+3 xBO5 (x=0.10) со структурой людвигита.

   

   Рис. 5. Экспериментальные температурные зависимости молярной теплоемкости, коэффициента объемного теплового расширения и рассчитанная зависимость dnHS/dT, характеризующая скорость заселения высокоспинового состояния.

   Для редкоземельных кобальтитов La1-xGdxCoO3, в которых состояние сильного сжатия достигается химическим давлением, экспериментально изучена корреляция температурных аномалий теплового расширения и теплоемкости с заселенностью высокоспиновых состояний (рис. 5) для всего ряда твердых растворов La1-xGdxCoO3, в которых лантаноидное сжатие стабилизирует низкоспиновое состояние с ростом концентрации Gd.

4. Исследование оптических и магнитооптических свойств новых соединений редкоземельных элементов
   (А.В. Малаховский, Сухачев А.Л.)
   

   Изучены спектры поглощения монокристалла HoFe3(BO3)4 в интервале 8500-24500 cm-1 в функции от температуры от 2К. Ионы Ho3+ расположены в позициях с локальной симметрией C2. Однако обнаружено, что расщепление состояний иона, соответствующее переходу от симметрии D3 к C2 отсутствует, и поэтому идентификация состояний была осуществлена в симметрии D3. Наблюдалось скачкообразное изменение интенсивности и позиции линий поглощения при реориентационном магнитном фазовом переходе при 4.7K. Было обнаружено и измерено обменное расщепление некоторых возбуждённых состояний. Обменное расщепление изменяется при реориентационном переходе. Изучены поляризованные спектры поглощения и магнитного кругового дихроизма (МКД) монокристалла ErAl3(BO3)4 в интервале 10000-27000 cm-1 при 90 K. Штарковские компоненты расщепления основного и возбуждённого состояний были идентифицированы в терминах неприводимых представлений локальной симметрии D3. Спектры МКД позволили измерить Зеемановские расщепления переходов и, тем самым, определить изменения фактора Ланде при переходах. Спектры МКД позволили также идентифицировать некоторые состояния в представлении функций . Впервые обнаружены аномально интенсивные колебательные повторения f-f переходов. Предложена новая квантово-механическая теория естественной оптической активности (ЕОА), согласующаяся с феноменологической теорией. Эта теория показала принципиальное различие ЕОА разрешённых переходов и запрещённых по чётности f-f переходов. Измерены спектры поглощения и естественного кругового дихроизма (ЕКД) монокристалла ErAl3(BO3)4 в интервале 10000-28200 cm-1 при 90 K. Спектры поглощения и ЕКД были разложены на компоненты Лоренцовой формы, и была определена естественная оптическая активность (ЕОА) f-f переходов. Спектр ЕКД позволил обнаружить существование двух неэквивалентных позиций иона Er3+ в одном из возбуждённых состояний, которые обусловлены локальным изменением симметрии окружения иона Er3+ в возбуждённом состоянии. Обнаружена очень большая ЕОА вибронного перехода, которая объяснена с помощью предложенной нами теории..

5. Теоретические расчеты электронной структуры, магнитных и сверхпроводящих свойств в системах с сильными электронными корреляциями и низкомерной магнитной структурой
   (В.А. Гавричков, М.М. Коршунов, Е.И. Шнейдер, С.Г. Овчинников, Ю.С. Орлов, И.А. Макаров)

   В рамках развитого ранее поляронного варианта обобщенного метода сильной связи P-GTB выявлен механизм появления температурной зависимости зонной структуры поляронов с сильным электрон-фононным и сильным кулоновским взаимодействием, и показано уширение спектральной функции поляронов на потолке валентной зоны в La2CuO4 с ростом температуры. Продолжено развитие методов кластерной теории возмущений, сочетающей пертурбативные и непертурбативные методы расчета двумерных систем с сильными электронными корреляциями. В рамках кластерной теории возмущений получены спектральные свойства модели Бозе-Хаббарда, описывающей системы ультрахолодных атомов в оптических решетках. Вычислены спиновая и зарядовая восприимчивости в двухзонной модели слоистых сверхпроводников на основе железа. В этой же модели рассчитаны спин-резонансные пики в случае неравных щелей для электронной и дырочной подсистем, проведено сравнение экспериментальных данных по частоте спинового резонанса и величины щели. Подготовлен и опубликован в УФН большой обзор по влиянию примесей на сверхпроводимость пниктидов и халькогенидов железа. Исследовано обменное взаимодействии оптически возбужденных ионов в мотовских диэлектриках. Показано, что межионное обменное взаимодействие изменяет фазовую диаграмму спиновых кроссоверов на плоскости (давление, температура), приводя к фазовым переходам первого рода со скачком магнитного момента и объема при низких температурах. Предложена поляронная модель псевдощелевого состояния в квазиодномерных системах.

6. Первопринципные квантовомеханические расчеты наноструктур, нанокластеров и нанотруб с магнитными частицами, в том числе биологических наночастиц
   (А.С. Федоров, Ф.Н. Томилин)

   На основе GGA-DFT расчетов проведены исследования локализованных магнитных моментов внутренних дефектов (вакансий, междоузельных атомов и дефектов Френкеля) обоих видов для объемного материала и тонких нанопленок ZnO в фазе вюрцита. Показано, что внутри ZnO междоузельные атомы кислорода (Oi) или вакансии цинка (Znv), соответственно, индуцируют локализованные магнитные моменты 1,98 и 1,26 µB, величины которых значительно уменьшаются, когда расстояние между дефектами увеличивается. В то же время магнитные моменты дефектов кислорода Френкеля велики (~1,5-1,8 µB) и не зависят от расстояния между дефектами. Источником индуцированного ферромагнетизма внутри объемного ZnO является спиновая плотность на ближайших к дефекту атомах кислорода, ближайшем к дефекту. Наши экспериментальные результаты, проведенные с помощью СКВИД измерений пленок ZnO, подтверждают наши теоретические выводы о том, что происхождение намагниченности ZnO обусловлено Oi или Znv дефектами. Предложен новый метод расчета кинетической стабильности наноструктур при высоких температурах. Из первопринципных расчётов прогнозируется существование графеноподобного гексагонального нитрида хрома (h-CrN) с двумерной структурой, который имеет спин-поляризованную полуметаллическую природу с возможным ферромагнитным упорядочением.

Экспериментальное научное оборудование

1. Установка МЛЭ «Ангара»,, модифицированная для напыления магнитных наноматериалов с эллипометрическим in situ контролем толщины и эффекта Керра.
2. Спектральный эллипсометр «Эллипс-1891».
3. Самодельный сверхвысоковакуумный технологический и исследовательский комплекс «Магнитоэллипсометр».
4. Магнитооптический спектрофотометр с гелиевым криостатом и магнитным полем до 4,2 Т.
5. Спектрометры для измерения магнитооптических эффектов Фарадея, магнитного кругового и линейного дихроизма.

Разработки

1. Технология создания прозрачных постоянных магнитов на основе стекол с добавками магнитных наночастиц.
2. Методы магнитоэллипсометрии для in situ и ex situ измерений.
3. Сверхвысоковакуумный технологический и исследовательский комплекс «Магнитоэллипсометр».