Наиболее значимые результаты исследований лаборатории физики магнитных явлений

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

 Авторы: В.А. Гавричков, С.Г. Овчинников, С.И. Полукеев

 

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.

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

Mikhaylovskiy R.V., Huisman T.J., Gavrichkov V.A., Polukeev S.I.,
Ovchinnikov S.G., Afanasiev D. , Pisarev R.V., Rasing Th., and Kimel A.V.
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, 2020, V. 125, P. 157201. (Impact Factor WoS – 8.385, Q1)

 

Исследование пространственной структуры биологических макромолекул
с помощью синхротронного излучения

Авторы: Ф.Н. Томилин, Р.В. Морячков, В.Н. Заблуда, М.С. Платунов, С.С. Замай, С.Г. Овчинников, А.Э. Соколов

Одной из серьёзных и сложных задач современной молекулярной биологии является определение пространственной структуры органической молекулы, когда монокристаллы отсутствуют. Общепринятым в такой ситуации является метод малоуглового рентгеновского рассеяния (МУРР). Он дает только информацию о распределении зарядовой плотности, но не атомов в молекуле. Мы дополнили метод МУРР методами молекулярного моделирования, что позволило восстановить структуру биомолекулы. Предлагаемый подход был тестирован при определении известной структуры ДНК-аптамера RE31, определённой из рентгеноструктурного анализа. Была получена трёхмерная форма общей электронной плотности молекулы, на основе которой восстановлена атомная структура, а также исследовано изменение конформации молекулы при изменении температуры. Эксперименты МУРР проводились на синхротронах в НИЦ “Курчатовский институт” в Москве и ESRF в Гренобле, Франция.

 

Схема методики определения 3D-структуры ДНК-аптамера RE31 к белку тромбину (слева),
молекулярный докинг “аптамер-мишень” (справа)

Felix N. Tomilin, Roman Moryachkov, Irina Shchugoreva, Vladimir N. Zabluda, Georgy Peters, Mikhail Platunov, Vera Spiridonova, Anastasia Melnichuk, Anastasia Atrokhova, Sergey S. Zamay, Sergey G. Ovchinnikov, Galina S. Zamay, Alexey Sokolov, Tatiana N. Zamay, Maxim V. Berezovski, Anna S. Kichkailo
Four Steps for Revealing and Validating 3D Structure of Aptamers
in Solution by Small Angle X-ray Scattering and Computer Simulation //
Analytical and bioanalytical chemistry. – 2019. – Т. 411. – №. 25. – С. 6723. 
https://doi.org/10.1007/s00216-019-02045-0

 

Исследование нано-кристаллических частиц и тонких пленок ферромагнитной проводящей халько-шпинели CuCr₂Se₄

 

Авторы: И.С. Эдельман, Р.Д. Иванцов, Д.А. Петров, А.И. Панкрац, А.М. Воротынов, В.И. Тугаринов, Д.А. Великанов, А.С. Тарасов, М.В. Рауцкий, С.М. Жарков, Г.Ю. Юркин, М.Н. Волочаев, С.А. Лященко

 

Впервые синтезированы и изучены ансамбли нано-кристаллов CuCr2Se4 в форме пластин, ориентированных в плоскости (111), в сопоставлении с тонкими пленками такого же состава и кристаллографической ориентации. Обнаружено формирование сборок, состоящих из ориентированных плоскостями друг к другу пластин (рис. 1). В отсутствие внешнего поля магнитные моменты соседних нано-пластинок направлены противоположно друг другу и суммарный магнитный момент всех частиц близок к нулю (рис. 2). При приложении поля все моменты выстраиваются по его направлению, что позволяет с помощью магнитного поля перемещать всю стопку в нужном направлении. Показано, что магнитные, резонансные, транспортные и магнитооптические свойства (рис. 3) как частиц, так и пленок обусловлены особенностями структуры и магнитной анизотропии (рис. 4). Данные наночастицы актуальны для применения в медицине в качестве биосенсоров.

 

 

1. I.S. Edelman, M. Esters, D.C. Johnson, G. Yurkin, A. Tarasov, M. Rautsky,
   M. Volochaev, S. Lyashchenko, R. Ivantsov, D. Petrov, L.A. Solovyov,
   The competition between magnetocrystalline and shape anisotropy on the magnetic and magneto-transport properties of crystallographically aligned CuCr2Se4 thin films,
   J Magnetism Magnetic Materials (JMMM). 2017. V. 443. P. 107–115.

2. I.S. Edelman, S.M. Zharkov, A.I. Pankrats, A.M. Vorotynov, V.I. Tugarinov, R.D. Ivantsov, D.A. Petrov, D.A. Velikanov, Chun-Rong Lin, Chin-Chang Chen, Yaw-Teng Tseng, Hua-Shu Hsu,
Electron spin resonance in Cu1xFexCr2Se4 nanoparticles synthesized with the thermal decomposition method,
JMMM. 2017. V. 436 P.21–30.
Результаты работы представлены на сайте РИА Новости  https://ria.ru/science/20171101/1507797614.html

 

 

 

 

1. Отработана технология термического напыления наноструктур Fe/Si с контролем толщины и состава слоев in situ методами электронной дифракции, электронной спектроскопии, эллипсометрии. Разработан и изготовлен оригинальный самодельный аналитический-технологический комплекс «магнитоэллипсометр» для сверхвысоковакуумного получения и in situ исследования методами спектральной эллипсометрии и керровской магнитометрии.

Рис. 1. Извлечение параметров твердофазного синтеза силицида в интерфейсе Fe/Si из необратимых СКВИД измерений намагниченности структур Fe/Si при высоких температурах.

1. Впервые исследованы структура и свойства планарного ансамбля наночастиц никеля, имплантированных в диоксиде кремния, получены точные выражения анизотропии и ее зависимости от плотности заполнения частиц, выявлены особенности магнитного резонанса, обнаружены резонансы в оптических и магнитооптических спектрах, обусловленные размерами частиц. В результате комплексного экспериментального исследования структуры (рис. 2), магнитных и магнитооптических (рис. 3) свойств наночастиц ферритов, формирующихся в стёклах, допированных переходными и редкоземельными элементами, даны рекомендации для разработки магнитооптических элементов на основе стекол для практически важной спектральной области 1,0-1,5 мкм.

Рис. 2. TEM фото частиц в стекле, допированном Fe₂O₃ и MnO. Рис. 3. МКД спектры оксидов железа и стекла, допированного Fe₂O₃ и Ho₂O₃

1. Разработана и находится в стадии изготовления в синхротроном центре РНЦ «Курчатовский институт» станция для измерения спектров магнитного кругового и линейного дихроизма, а также для исследований по магнитной рефлектометрии в рентгеновском диапазоне (3-30 Кэв, диапазон температур 4-350 К).

    

   Исследованы оптические и магнитооптические свойства стёкол и кристаллов алюмоборатов и ферроборатов, содержащих редкоземельные элементы. Обнаружено, что температурная зависимость магнитооптической активности (МОА) электронных переходов внутри 4f оболочки (f-f переходы) может сильно отличаться от закона Кюри-Весса. Показано, что МОА запрещённых f-f переходов может содержать несколько вкладов различной величины и знака, соответствующих разрешённым переходам, у которых запрещённый переход заимствует интенсивность. Соотношение этих вкладов зависит от КП и от температуры.

   
   При исследовании спектров поглощения кристаллов алюмоборатов и ферроборатов обнаружено, что в температурном поведении параметров некоторых f-f переходов присутствуют особенности, отсутствующие в температурном поведении основного состояния. Например, в TbFe3(BO3)4 обнаружено скачкообразное расщепление одной из линий поглощения в районе температуры Неля (рис. 4). Это явление было предложено объяснить изменением равновесной конфигурации локального окружения редкоземельного иона в процессе электронного перехода.

    

1. Исследована взаимосвязь изменений магнитных, транспортных и оптических свойств ряда магнитоупорядоченных мотовских диэлектриков, в том числе под высоким давлением в семействе монокристаллов бороксидов: кальцитов MeBO₃ (Me=Fe, Cr, V), хантитов GdFe₃(BO₃)₄, людвигитов Co_3-xFe_xO₂BO₃. Развита многоэлектронная теория спиновых кроссоверов при высоких давлениях в моттовских диэлектриках.

   Разработан обобщенный метод сильной связи LDA+GTB для расчета зонной структуры систем с сильными электронными корреляциями. Для купратов La2-xSrxCuO4 найдена последовательность квантовых фазовых переходов при переходе от мотовского диэлектрика до нормального металла за счет допировия (рис. 6), и в рамках теории среднего поля для сверхпроводимости получены вклады одного порядка от магнитного и фононного механизмов спаривания. Для манганитов La1-xCaxMnO3 в области оптимального допирования x~0,3 показано, что ферромагнитная фаза является магнитным полуметаллом со 100% спиновой поляризацией носителей. Для LaCoO3 LDA+GTB расчеты объяснили спиновый переход при Т=150 К в температурной зависимости восприимчивости и постепенную металлизацию при высоких температурах Т=600К, а также предсказали большое магнитосопротивление и переход в металлическое состояние в сильных магнитных полях.

   
   

   Рис. 5. Изменение края и основных линий в спектре оптического поглощения VBO₃ под давлением. Для сравнения приведены данные для FeBO₃. Рис. 6. Изменения топологии поверхности Ферми La_2-xSr_xCuO₄ с ростом концентрации допирования приводят к двум квантовым фазовым переходам Лифшица.

2. На основании квантовохимических расчетов в основном и возбужденном состоянии уточнены структура и механизм флуоресценции автивного центра белка обелина, выявлена роль электронных корреляций в формировании структуры.

    

   

   Рис. 7. Исследование переноса протона в процессе флуоресценции белка обелина.

 

• С использованием трехкамерной установки молекулярно-лучевой эпитаксии синтезированы магнитные мультислойные системы Fe/Dy, Ni/Dy, Fe/Si — наноструктуры с контролируемыми магнитными, оптическими и магнитооптическими свойствами.
• Исследования магнитооптических характеристик неоднородных материалов с нанометровыми структурными элементами: мультислойных пленок, аморфных стекол с нанометровыми магнитными включениями, оксидных стекол, активированных редкоземельными элементами (Pr, Dy) и других.
• Наиболее полно исследованы здесь мультислойные пленки, состоящие из ферромагнитных слоев толщиной 1-2 нм, разделенных слоями диэлектрика (например, Co/SiO₂) различной толщины (например, Co/SiO₂).
• Основной полученный результат — значительное усиление эффекта Фарадея в ультрафиолетовой области спектра, по сравнению с пленками чистого металла. Ожидается, что активированные редкими землями оксидные стекла окажутся полезными для приложений в ультрафиолетовой оптике.
• Стекла с включениями магнитных наночастиц — область совместных исследований с ГОИ им. С. И. Вавилова (С. Петербург). Магнитные частицы размерами 5-10 нм спонтанно образуются в стеклянной матрице, допированной окислами парамагнитных оксидов металлов при термообработке. В результате эффект Фарадея в них становится сравнимым с ферро- и ферримагнитными средами, то есть резко возрастает. В сочетании с прозрачностью в ближнем инфракрасном диапазоне это делает их перспективными кандидатами для приложений в актуальном сейчас диапазоне 1.3-1.5 мкм.
• Разработка новой установки для исследований рентгеновского линейного и циркулярного дихроизма в магнитных пленках и мультслойных структурах совместно с Международным центром синхротронного излучения в Институте ядерной физики СО РАН (Новосибирск).
• Выращивание монокристаллов A_1-xFe_xBO₃ (A = Ti, V, Cr) с целью исследования нового магнитного и электронного фазового перехода, а также эффекта гигантского магнитосопротивления в них.
• Комплексные теоретико-экспериментальные исследования эффекта колоссального магнитосопротивления; сравнительное изучение механизмов этого эффекта в манганитах и хромовых халькошпинелях.
• Развитие обобщенного подхода сильной связи в задаче электронной структуры твердого тела, с точным учетом сильных электронных корреляций. Расчет концентрации и зависящей от температуры зонной структуры квазичастиц в оксидах меди и манганитах.
• Теоретические исследования магнитных механизмов и симметрии щели для сверхпроводимости, индуцированной ферромагнитными спиновыми флуктуациями; сравнительный анализ сверхпроводимости в оксидах меди и рутения, разработка микроскопической модели сосуществования ферромагнетизма с слоях RuO₂ и сверхпроводимости — в слоях CuO₂ для RuSr₂GdCu₂O₈.
• Первопринципные и полуэмпирические расчеты электронной структуры и молекулярной динамики эндо- и экзоэдральных металлофуллереновых комплексов.