Физика конденсированного состояния: новых материалов, молекулярных и твердотельных структур нанофотоники, наноэлектроники и спинтроники

Цель проекта – Экспериментальные и теоретические исследования физических явлений и процессов в новых материалах, твердотельных и молекулярных структурах для нанофотоники, наноэлектроники, спинтроники и управляемого термоядерного синтеза, с использованием современных измерительных методов, экспериментальных установок и новейших теоретических подходов. Разработка и исследование материалов и структур с новыми физическими свойствами, а также материалов, структур, приборов и устройств для различных приложений. Методология проведения работы – в рамках выполнения данной тематики Государственного задания проводились как экспериментальные, так и теоретические исследования. Результаты работы В ходе выполнения проекта в 2019-2023 году получены следующие ключевые результаты. - Обнаружен аномально большой по величине эффект оптической невзаимности в немагнитных многослойных наноостровковых структурах [Ag(Bi)-Al2O3]n. - Обнаружена однонаправленная магнитная анизотропия в многослойных магнитных наноструктурах с островковыми слоями Со. - Обнаружен и исследован эффект Фано-резонанса на пористых полупроводниках. - Обнаружена новая структурная фаза угдерода. - Проведен цикл исследований по образованию микро и нано алмазов в природе. - Получены подложки на основе пористого кремния и наночастиц серебра, необходимые для реализации эффекта SERS в биологических объектах. - Получены первые результаты исследования на биологических объектах (кожа, ткани мышей). - Построена кинетическая теория неравновесных электронных процессов в структурах из квантовых ям в квантующем магнитном поле в условиях, когда доминирующим механизмом межуровневого и межподзонного рассеяния является электрон-электронное рассеяние. - Разработан новый метод измерения параметров SiPM с неразрешаемым фотоэлектронным спектром по трем моментам функции распределения лавинного заряда. - Предложен новый оптический метод определения соотношения концентраций NV- и NV0 вакансионных центров в заданной точке микроалмаза. - Разработаны технологии выращивания и исследованы свойства следующих гетероструктур: объёмные слои, квантовые ямы, квантовые точки Ga(In)BiAs/GaAs с различной ориентацией и легированием, в том числе с кластерами InBi(As) и гамма-облучённые; квантовые ямы InGaAs/GaAs в брэгговском микрорезонаторе с многослойными зеркалами AlAs/GaAs; GaAs/Ge/GaAs с разворотом слоя GaAs на Ge под прямым углом в плоскости подложки; квантовые ямы II рода Si1-уGeу/Si/S1-xGex/Si/Si1–уGeу. - Фотолюминесцентные микрометки нанесены на природный алмаз с помощью ультракоротких импульсов лазерного воздействия. - Выявлены механизмы формирования центров люминесценции в монокристаллических алмазных иглах. - Разработаны технологии нанесения стойких алмазных покрытий на инструменте из победита, предназначенного для обработки современных композитных материалов. - На основе согласованной гетеропары Ga0.47In0.53As/Al0.48In0.52As с помощью МОС-гидридной эпитаксии создан квантовый каскадный лазер, который излучает на длине волны 7.4 мкм в полосе 100 см-1 и работает при температуре до 371 К. Столь высокое значение рабочей температуры достигнуто благодаря большой энергии выброса с дублета в верхнюю мини-зону и большому вольтовому дефекту. - Спектральная эволюция фононной линии E1u топологического изолятора Bi2−xSrxSe3 при изменении температуры интерпретирована как свидетельство взаимодействия объемных ИК-активных фононов с поверхностными дираковскими электронами. - Обнаружена сверхпроводимость тонких плёнок дираковского полуметалла Cd3As2 без приложения внешнего давления. Исследование зависимостей критических параметров выявил особенности, указывающие на топологическую природу сверхпроводимости. - РТ-симметричная фотопроводимость, стимулированная микроволновым излучением, обнаружена в пленках Hg1-xCdxTe. Эффект связан со свойствами двумерного слоя между буфером, обладающим прямым спектром, и пленкой с инверсным электронным спектром. - Для монокристаллов ВТСП на основе железа FeSeTe, BaKFeAs, KFeAs проведены экспериментальные исследования эффекта Джозефсона на точечных контактах «обычного сверхпроводника» с ВТСП. Полученные результаты указывают на обычную s либо s++ симметрию параметра порядка в образцах. Выполнены экспериментальные исследования динамики джозефсоновской вихревой решетки монокристаллов висмутового ВТСП Bi2201 в сильных магнитных полях, указано на возможное применение результатов для генерации когерентного ТГц излучения. - Описан новый тип связанных состояний в континууме (ССК) в резонаторах Фабри-Перо в волноводах – парные ССК. В отличие от известных ранее ССК, возникающих из резонансов Фабри-Перо, парные ССК связаны с ССК в изолированных зеркалах резонатора Фабри-Перо и имеют исчезающе малую амплитуду волновой функции между ними. - Обнаружено, что зависимости кондактанса и дробового шума от напряжения, между электродами, связанными с квантовой точкой туннельно взаимодействующей с топологическим сверхпроводником, имеют два резонанса. - Разработана аналитическая модель сверхбыстрого переключения спиновой системы под действием ультракороткого терагерцового импульса и оптимизации энергии процессов переключения спиновых битов. - Показано, что в структуре, содержащей квантовую яму и слой примесных атомов марганца, существует режим, в котором появляется сильная циркулярная поляризация фотолюминесценции. - Предложена система из четырех взаимодействующих квантовых точек, в которой можно создать запутанное триплетное состояние, компоненты которого можно «передвигать» вдоль цепочек за счет резонансного туннелирования. - Объяснены причины снижения квантового выхода фотолюминесценции в нанокристаллах CdSe на основе расчетов зарядовых ловушек в этих кристаллах. - Расчетным путем найдены кластеры Cu-Au, наиболее эффективные для каталитического окисления молекул СО. Обнаружены кластеры, имеющих очень низкую энергию активации. - Описана особая фаза в квазиодномерных нанопроволоках из сверхпроводника, со смешанными свойствами, зависящими от величины двух различных длин корреляции. Эта фаза разделяет «истинно» сверхпроводящие толстые проволоки и самые тонкие с полным подавлением сверхтока квантовыми флуктуациями. - Получено выражение для тока фотонного увлечения в тонких сверхпроводниковых плёнках на основе построенной теории нелинейного отклика пленок чистых сверхпроводников на электромагнитное поле. - Разработана серия методик измерения спиновой динамики носителей заряда в твердотельных системах, возбуждаемой радиочастотным импульсом и детектируемой по углу фарадеевского вращения плоскости поляризации пробного лазерного импульса. В результате в системе Ce3+:YAG измерен рекордно узкий спиновый резонанс шириной несколько десятков Гц, соответствующий времени спиновой когерентности в несколько миллисекунд. В нанокристаллах (НК) перовскитов CsPb(Br,Cl)3 обнаружено спиновое состояние с аномально малым g-фактором и субмиллисекундным временем продольной релаксации. Обнаружена долгоживущая спиновая динамика в коллоидных нанопластинах. - Проведены исследования лазерной генерации сходящихся акустических волн, позволяющих получать большие динамические деформации кристаллических материалах. - Реализовано лазерное воздействие на дислокации в CdTe при низкой температуре с одновременным in-situ контролем дислокационных ядер, основанном на анализе свойств формируемых ими люминесцентных центров. - Получены монокристаллы теллурида кадмия с оптически активным железом. - С помощью метода ЯМР установлено, что квазидвумерное соединение Ag3LiRu2O6 проявляет свойства спиновой жидкости с бесщелевым спектром возбуждений. - Разработан метод количественного анализа нековалентных взаимодействий в кластерных системах на основе [B10Cl10]2− методом ЯКР. - С помощью ЯМР и ЯКР изучены свойства сверхпроводников YB6, Mo4Ga20Sb и Mo8Ga41. - Установлено, что в мультиферроике BiFeO3 пространственная спиновая структура сохраняется при уменьшении размера нанокристаллов до периода циклоиды, а магнитные свойства резко возрастают до значений, пригодных для прикладного применения. - Выполнены разработки ключевых подсистем МРТ с безгелиевым охлаждением: градиентной системы, радиочастотных катушек, сверхпроводящего магнита, токовых вводов. - Предложена новая концепция трансформируемого лепесткового зеркала для космической радиоастрономии, с точным компьютерным и физическим моделированием. - Проведены исследования перспективных ВТСП, предложен метод поиска и синтеза новых купратных ВТСП с более высокими критическими температурами. - Для ИТС разработаны и отстреляны новые пористые мишени: хитозана с нано-Ag (до 30% масс.), аэрогели с нано-Au,W,Cu,C и др., композиты сверхсшитых полимеров и наноматериалов – терморасширенного графита (4.5 масс. %), углеродных нанотрубок (0.4 масс.%) и др.. Можно разделять компоненты воздуха ультрамикропористыми С-сорбентами на основе сверхсшитых сеток, определены факторы удержания компонентов. - Созданы оболочки и запатентован метод и полезная модель установки их производства - Докритические мишени обеспечивают «ускоритель на столе», давая х1000 выше, чем другие, импульсы рентген-, гамма-излучений, ускоренных электронов, протонов, нейтронов под действием релятивистского лазерного света. - Впервые цифровые образы мишеней созданы рентгеновской микротомомографией на NEOSCAN N-80 и на синхротронном источнике. Измерены мишени, биопрепараты и ископаемые объекты без контрастирования и разрушений. - Лазерно-оптическими методами изучены свойства плазменных струй, образующихся в установке Плазменный фокус (ПФ) с килоджоульным энергозапасом. - Установлено, что на установках типа ПФ с можно получать тонкие пленки тугоплавких металлов: Та, Мо и W на стеклах c высокой адгезией, пленок меди на поверхности Fe, V и Ti, сверхпроводящие покрытия из MgB2, Bi-2223, Y-123 на подложках из меди и алюминия. - Проведены измерения абсолютного нейтронного выхода в экспериментах по сжатию дейтерированной мишени с изменяющейся степенью предионизации в установке Ангара 5–1 (ТРИНИТИ). - Проведено моделирование рабочих условий поточного формирования и доставки криогенных топливных мишеней (КТМ) в зону термоядерного горения. Рассчитаны параметры канала формирования КТМ и параметры системы ускорения КТМ до необходимой скорости инжекции (200 м/с). Предложен, испытан и запатентован способ левитационной доставки КТМ в камеру установки ИТС. - Разработан и изготовлен многопроволочный позиционно-чувствительный детектор нейтронов нового типа с 2-мя слоями 10В, обеспечивающий регистрацию быстрых нейтронов. - Получен атомарно-тонкий слой WSe2 с большим латеральным размером. Исследована перестройка примесно-дефектной подсистемы при отжиге. - Исследовано распространение пикосекундного упругого импульса в Ван-дер-Ваальсовых гетероструктурах с помощью оптической накачки-зондирования с пространственным разрешением. - При исследовании гиперзвуковых свойств ультратонких алмазных мембран, полученных CVD методом, обнаружена резкая зависимость фазовой скорости от частоты волны. Результаты представляют интерес для приложений акустоэлектроники и квантовой оптики. - Синтезированы кристаллы SnS2 2H политипа с высоким структурным совершенством. В кристаллах и полученных из них из них тонких пленках обнаружен новый люминесцентный центр, формирующий бесфононный переход. - Cинтезирован дисульфид европия EuS2. - Получена оценка параметров модели Хюккеля для величины туннельной связи молекулы с электродами для различных якорных групп: тиольной, пиридиновой и теофеновой. Различие величин составило почти три порядка. - Построена аналитическая конечно-модовая модель для описания межмодовой интерференции в квантово-механических и оптических волноводных структурах. - Построена аналитическая модель магнитной структуры и сверхбыстрой спиновой динамики в тетраэдрических кристаллах CoF2 и MnF2. Проведено сопоставление аналитической модели с результатами экспериментов. - Разработаны и оптимизированы технологии синтеза керамических активных и пассивных элементов на основе YAG, LuYAG матриц с ионами Nd3+, Cr4+, Yb для мощных лазеров с диодной накачкой. Исследованы характеристики генерации вынужденного внутрирезонаторного преобразования ВКР в дисковом лазере на керамике 10% Yb:YAG. Предложен механизм получения низкокогерентной генерации в лазере с иммерсионным диффузором. Предложена и проанализирована новая схема накачки активной области керамического композитного дискового активного элемента. Предложена принципиально новая конструкция матрицы лазерных диодов и построена числовая модель. За заключительный 2023 год проекта подготовлено 115 публикаций, из них 106 публикаций в высокорейтинговых рецензируемых журналах Белого списка и списка ВАК, 2 книги, а также 5 Патентов.