Фундаментальные и прикладные исследования в области физики конденсированного состояния с использованием рассеяния нейтронов, мюонов, рентгеновского и синхротронного излучения.

Продолжение изучения свойств кристаллических, некристаллических и биоматериалов методами рассеяния нейтронов, мюонов, рентгеновского и синхротронного излучения. Выполнение синтеза и исследование наноструктур и наноматериалов. Завершена работа по исследованию смешанной системы мультиферроиков–ферроборатов (Nd,Tb)Fe3(BO3)4. С помощью монокристальной нейтронографии был исследован необычный двухступенчатый переход в магнитном поле. Предложена модель, объясняющая наблюдаемую эволюцию магнитной структуры, которая предполагает небольшие отклонения моментов Tb от тригональной оси из-за локального искажения. Это приводит к неэквивалентности моментов Tb по отношению к эффективному обменному полю. Таким образом, возникает "скрытая" неустойчивость магнитной системы, которая проявляется только во внешнем поле. Для PbMnTeO6 однозначно определена октаэдрическая (тригональная антипризматическая) координация для всех катионов в хиральной пр. гр. P312, отличная от объявленной ранее в литературе. Магнитная структура PbMnTeO6 в основном магнитном состоянии описывается двумя волновыми векторами k1 и k2. Наблюдаемое основное состояние с k1 = (1/3 1/3 0,4077) представляет собой неколлинеарную 120° спиновую структуру, спирально упорядоченную вдоль направления укладки слоев с характерным периодом спирали ~13.2 Å. Кроме того, наблюдалась и вторая несоизмеримая модуляция для магнитной структуры с волновым вектором k2 = (1/3 ± δ1 1/3 ± δ1 0,15375 ± δ2). Проведены численные расчеты и построена эффективная спиновая модель для объяснения наблюдаемых магнитной восприимчивости, кривой намагничивания и магнитной части удельной теплоемкости. Показано, что спиральное упорядочение в PbMnTeO6 вдоль направления укладки слоев и несоизмеримая модуляция вектора распространения могут быть воспроизведены путем введения фрустрированных межслоевых связей и малого анизотропного искажения треугольной решетки. Методом рентгеновской дифракции определена кристаллическая структура замещенных ортоферритов HoFe1-xMnxO3 (x = 0,05; 0,1; 0,2; 0,3) при температурах 5 К и 300 К. Показано, что объем элементарной ячейки уменьшается по мере возрастания x. Определены позиции всех ионов соединений при указанных температурах. Методом рентгеновской дифракции определена кристаллическая структура оксиборатов-мультиферроиков HoAl3(BO3)4, HoGa3(BO3)4, YFe3(BO3)4 в диапазоне температур 100 К - 300 К. В этом температурном диапазоне кристаллическая HoAl3(BO3)4 и HoGa3(BO3)4 описывается группой R32, а YFe3(BO3)4 – P3121. Методом SQUID-магнитометрии получены температурные и полевые зависимости намагниченности оксиборатов-мультиферроиков HoGa3(BO3) и YFe3(BO3)4 в температурном диапазоне 4 К - 300 К. Предложена модель, описывающая границы стабильности скирмионной решетки в нецентросимметричных ферромагнетиках с взаимодействием Дзялошинского-Мория в магнитном поле. Вычислен средний момент на атом внутри элементарной ячейки скирмионой решетки, равный μsk = 0,405 μ(T), который предполагается неизменным при данной температуре в той области магнитных полей, где реализуется скирмионная решетка. Сравнивается классические энергии взаимодействия с магнитным полем конической структуры и скирмионной решетки, которые определяются зеемановским членом и выигрышем магнитной системы от реализации модулированной спиновой структуры. Показано, что без учета дипольных сил скирмионная решетка энергетически эквивалентна конической спирали в поле HA = 0,405 Hc2, где соотношение gμB Hc2 =Ak2 характеризует поле перехода в поляризованную коллинеарную фазу. При учете дипольных сил скирмионная решетка становится энергетически выгоднее конической спирали в некотором диапазоне полей вблизи HA вблизи Tc. Верхняя и нижняя границы скирмионной фазы определяется выигрышем в энергии при учете поля размагничивания скирмионной решетки по сравнению с конической структурой. Результаты работы представлены на конференциях. В рамках модели точечных зарядов получены схемы уровней энергии КЭП в диапазоне 50 мэВ – 150 мэВ, получены параметры КЭП. На основании расчетов выполнена оценка одноионной анизотропии для соединений RFeO3 (R = Tb, Yb). Дисперсия спиновых волн в аморфном ферромагнитном сплаве Fe48Ni34P18 может быть описана в рамках модели ферромагнетика со случайной анизотропией: ε(q) = Aq2 + gμBH + δω(q), где δω(q) - линейная по |q| добавка. Мы используем метод малоуглового рассеяния поляризованных нейтронов, чтобы доказать значимость добавочного члена δω(q) в дисперсии. Измерения проводились при различных значениях внешнего магнитного поля H и длины волны нейтронов λ. Карта рассеяния нейтронов представляет собой окружность определенного радиуса с центром в точке q = 0. Жесткость спиновых волн A извлекается непосредственно из λ-зависимости радиуса этой окружности. Спин-волновая жесткость A аморфного сплава слабо уменьшается от 140 до 110 мэВ·˚A2 с ростом температуры в диапазоне от 50 до 300 К. Полевая зависимость радиуса демонстрирует наличие добавки δω(q) в виде энергетической щели, которая практически не зависит от поля и температуры. Величина добавки равна = 0,015±0,002 мэВ. Результаты работы представлены на конференциях и опубликованы в статье. С помощью рассеяния поляризованных нейтронов исследована локальная магнитная анизотропия и магнитный порядок в наночастицах ядро/оболочка Fe3O4/Mn3O4. Показано, что, в слабых полях магнитные моменты Fe3O4 и Mn3O4, усредненные по элементарной ячейке, антиферромагнитно связаны, тогда как в сильных полях они ориентированы параллельно. Магнитная переориентация моментов в оболочке Mn3O4 связана с полевой эволюцией локальной магнитной восприимчивости от анизотропной к изотропной. Кроме того, длина магнитной когерентности в ядре Fe3O4 демонстрирует необычную зависимость от приложенного поля, которая объясняется конкуренцией антиферромагнитного взаимодействия между ядром и оболочкой и зеемановского взаимодействия в поле. Результаты демонстрируют новые возможности количественного анализа порошковой дифракции поляризованных нейтронов для исследования сложных многофазных магнитных материалов. Метод порошковой дифракции поляризованных нейтронов в сочетании с анализом локальной магнитной восприимчивости был использован для изучения полевой эволюции сложной неколлинеарной магнитной структуры Яффет-Киттеля, впервые обнаруженной в наночастицах Mn3O4. Поведение магнитной структуры под действием внешнего поля качественно согласуется с расчетами по теории среднего поля, что представляет новый подход к получению обменных параметров и параметров анизотропии методом нейтронографии поляризованных нейтронов. Проведено обобщение результатов малоуглового рассеяния поляризованных нейтронов на нанопорошках оксидов железа Fe2O3 и Fe3O4, полученных золь-гель методом и методом химического соосаждения. Полученные результаты представлены на конференциях, а также подготовлена и направлена публикация в журнал. Фуллерены С60, дифталоцианины лантаноидов и сцинтилляторы - линейные алкилбензолы с модификаторами, включающими гадолиний, использовали при создании комплексов с наноалмазами - оптически активными наноплатформами для доставки фотосенсибилизаторов к биологическим тканям в целях фотодинамической терапии. Гидрофильные детонационные соединили с гидрофобными люминофорами, которые конвертировали рентгеновские лучи в фотоны с длинами волн в полосе 350 - 550 нм, включавшей полосу Соре фотосенсибилизатора Радахлорина®. Бинарные и тройные комплексы алмаз-сцинтиллятор и алмаз-сцинтиллятор-Радахлорин®, стабилизированные поливинилпирролидоном формировали в водных средах разветвленные фрактальные структуры с повышенными магнитно-релаксационными и фотодинамическими свойствами по сравнению с промышленными аналогами показали устойчивость при 20 - 50°С по данным нейтронного, синхротронного, рамановского рассеяния и оптического поглощения. Комплексы алмаз-С60 показали высокую антибактериальную активность в микробиологических тестах. Разработаны способы изготовления гибридных мембран типа Aquivion® с наноалмазами, встроенными в них на разных стадиях формирования - при сополимеризации тетрафторэтилена и сульфокислотного мономера с образованием коагулята, либо совместном осаждении из растворов полимерной и алмазной компонент. Разработаны способы модификации поверхности наноалмазов различными функциональными группами (H, F, OH, COOH, SO3H), изучены гидродинамические свойства и структура алмазных дисперсий методами рассеяния нейтронов и синхротронного излучения. Наноалмазы, модифицированные гидроксилами, карбоксилами или ионными группами сульфоновой кислоты, интегрировали в мембраны (0,5 - 2,0% масс.) для увеличения их ионной емкости и протонной проводимости. Электрохимические измерения показали рост протонной проводимости при сульфированных наноалмазов в мембранах при улучшении их механических свойств. По данным рассеяния нейтронов алмазы стабилизировали полимерные и создавали гибридные проводящие каналы в мембранах, что улучшило функциональные свойства мембран для применений в водородных топливных элементах. Завершена обработка данных малоуглового рассеяния рентгеновских лучей и низкотемпературной адсорбции азота на инвертированных полимерных аэрогелях, полученных из матриц на основе диоксида кремния. Определена структура, в том числе фрактальные характеристики исследуемых образцов детонационного наноалмаза в зависимости от условий синтеза и типа допанта. Материал готовится к публикации. Определена структура, в том числе фрактальные характеристики исследуемых образцов горных пород, представляющих вулканические породы Танзании, в зависимости от атмосферного и биогенного воздействия. Завершена обработка данных малоуглового рассеяния рентгеновских лучей и низкотемпературной адсорбции азота на образцах криоконитов из высокогорного Алтая (ледник Восточный Мугур, массив Монгун-Тайга). Материал готовится к публикации. Завершена обработка данных малоуглового рассеяния рентгеновских лучей на ионогелх [C8MIM]+[BF4] - SiO2, полученных разным способом (химический и физический синтез). Материал подготовлен к публикации. Определены состав и структура, а также особенности строения тонких кремнеземных пленок, допированных наночастицами Pt и/или Pd, полученных при различных условиях синтеза; проведено обобщение результатов рентгеновской рефлектометрии, рентгеновской дифракции и микроскопии, материалы опубликованы в статье. Произведен анализ и обобщение результатов рентгеновской дифракции, циклической вольтамперометрии и др. данных, полученных для композитных каталитических слоев, содержащих наночастицы Cu, Pd и (Cu)Pd, подготовлена публикации. Результаты работы представлены на конференциях. Методом численного Фурье-анализа исследованы фрактальные свойства при формировании структуры ветвления лиственных деревьев. Показано, что нижние уровни ветвления взрослых деревьев формируются, подчиняясь закону логарифмического фрактала в двумерном пространстве, согласно которому площадь поверхности нижней ветви равна сумме площадей поверхности ветвей после ее ветвления, то есть выполняется закон сохранения площади при масштабировании. Строение веток на верхних уровнях ветвления подчиняется закону логарифмического фрактала в трехмерном пространстве, то есть закону сохранения объема при масштабировании, что естественно, поскольку живая ткань занимает полностью молодую ветку, а не только ее поверхность. Предложена математическая модель, которая обобщает концепции логарифмического фрактала на поверхности для взрослых ветвей и логарифмического фрактала в объеме для молодых веток. Таким образом, построена целостная фрактальная концепция роста и структуры ветвления лиственных деревьев. Измерена электрическая проводимость протон-проводящих мембран, модифицированных сульфированными детонационными алмазами. Измерена полная комплексная проводимость ионогелей C12H23BF4N2-SiO2 с различным содержанием ион-проводящего компонента, предложена теоретическая эквивалентная схема проводимости. Измерена магнитная восприимчивость и намагниченность нанопорошков оксидов железа Fe2O3 и Fe3O4. Показана безгистерезисность и суперпарамагнетизм исследованных образцов. Завершены расчеты магнитного упорядочения ультратонких слоёв железа покрытых графеном на подложке из гексагонального нитрида бора Gr/Fe(N)/h-BN. Впервые рассмотрена система Fe(N)/Gr/h-BN с учётом оптимизации расположения атомов в суперячейке. Для всех рассмотренных систем найден их электронный спектр E_nσ (k), вычислены локальные плотности состояний, исходя из которых, определены локальные магнитные атомные моменты и возможные магнитные упорядочения. Наши самосогласованные расчеты электронной структуры показали, что при оптимизации расположения атомов в суперячейке Fe(N)/Gr/h-BN и учете диполь-дипольного взаимодействия перпендикулярная магнитная анизотропия в данных системах сохраняется вплоть до трех монослоев железа (N < 3). Выполнены предварительные расчеты электронной структуры магнитного туннельного гетероперехода Fe/h-BN/Fe для взаимного ФМ и АФМ упорядочения слоев железа. Методом нелинейного магнитного отклика на второй гармонике сделаны оценки концентрации наночастиц оксида железа в ряде клеточных линий глиобластомы человека в результате их коинкубации. Аналогично определена эффективность проникновения наночастиц в фибробласты лёгкого эмбриона человека. Полученные результаты предназначены для использования в тераностике тяжёлых заболеваний. Изучены электрические флуктуации в полупроводниках, вызванные ловушками. Вычислены спектры флуктуаций в ряде конкретных случаев. Изучены флуктуации в физических системах, имеющие вид случайных импульсных процессов, дано количественное описание флуктуаций. Подготовлена программа проведения экспериментов на СЦ-1000 по исследованию μSR-методом магнитных свойств эластомеров в зависимости от концентрации наночастиц CoFe2O4 в магнитном поле 512 Гс при температуре 290 К. μSR-методом было проведено исследование магнитных свойств эластомеров в зависимости от концентрации наночастиц CoFe2O4 в магнитном поле 512 Гс при температуре 290 К. Измерены величина и дисперсия магнитного поля, создаваемого однодоменными наночастицами CoFe2O4, которые увеличиваются пропорционально концентрации наночастиц. Предварительное исследование эластомеров с различной концентрацией наночастиц CoFe2O4 с помощью поляризованных мюонов представлено на Всероссийской конференции «Неделя науки ФизМех». Завершены исследования и опубликованы результаты мониторинговых исследований космической пыли в окрестности в окрестности станции Восток в зимовку 2017-2018 гг. Доставлены новые образцы магнитной космической пыли, собранные в окрестности станции Восток в Антарктиде в период зимовки 2021 - 2022 гг., и в сезон 2022 г. Разработана программа их исследования в научно-исследовательских учреждениях России. Подготовлено и отправлено в Антарктиду оборудование и магниты для сбора магнитной космической пыли в окрестности станции Восток в Антарктиде в период зимовки 2023 - 2024 гг., и в сезон 2023 г. Изготовлено и отправлено в Антарктиду оборудование для сбора космической пыли методом плавления снега в сезон 2023 г. на станции Восток. Для решения задач рефлектометрии с фазометрией проведено более детальное описание отражения поляризованных нейтронов: получение фазовой информации требует проведения дополнительных измерений, при интерпретации которых важную роль играют факторы, которые можно было не учитывать при расчете интенсивностей при стандартной схеме измерений. Продолжены модельные расчеты нейтронного рефлектометра SONATA (реактор ПИК) с перспективой реализации полной рефлектометрии с поляризованными нейтронами. Обоснована возможность реализации новой схемы нейтронного поляризационного анализа без спин-флипперов на основе предложенного нейтронного мультимонохроматора-биполяризатора с использованием структур Co/Fe и Co/Si.