Лаборатория физики магнитных явлений
Сотрудники лаборатории
История создания лаборатории
Важнейшие публикации
Основные работы последних лет
Фото галерея
Основные направления научной деятельности
- Сверхвысоковакуумная технология получения и in situ характеризация магнитных наноструктур
(С.Н. Варнаков, Н.Н. Косырев, А.Е. Худяков, Е.В. Яковлева)
Методом молекулярно-лучевой эпитаксии изготовлены и исследованы магнитные наноструктуры Fe/Si с толщинами слоев 1-5 нм. Найдены условия образования силицидов железа, определены параметры диффузии железа и кремния в интерфейсе. Развиты методы in situ анализа магнитных свойств наноструктур. (Варнаков и др., ФТТ 2007; Varnakov etal, J.Appl.Phys.2008; Volkov etal, J.Appl.Phys.2011; Косырев и др., Письма в ЖЭТФ 2008). - Оптические и магнитооптические исследования магнитных материалов
(И.С. Эдельман, А.В. Малаховский, В.Н. Заблуда, Р.Д. Иванцов, А.Э. Соколов, О.С. Иванова, А.Л. Сухачев)
Получены прозрачные ферромагнетики с применением магнитных наночастиц, имплантированных в диэлектрические стекла (Edelman etal, Physica E 2010; Ignatchenko etal, Phys. Rev. B 2010).
Экспериментально исследован комплекс электрических, магнитных и оптических свойств монокристаллов ферроборатов FeBO3, VBO3, GdFe3(BO3)4, NdFe3(BO3)4, монокристаллов людвигитов и хантитов на основе окислов Co, Fe. Построена их многоэлектронная модель, экспериментально обнаружены предсказанные в этой модели виртуальные электронные состояния корреляционной природы (Иванова и др., ЖЭТФ 2002; Овчинников и др., ЖЭТФ 2004; Харламова и др., ЖЭТФ 2005; Иванова и др., ЖЭТФ 2011; Овчинников, Письма ЖЭТФ 2003; Овчинников и др., Письма ЖЭТФ 2009; Bartolom´e etal, Phys. Rev. B 2011; Malakhovskii etal., Optical Materials 2009; Malakhovskii etal., J. Alloys Comp. 2009).
- Транспортные и магнитные исследования магнитных материалов
(Н.Б. Иванова, Н.В. Казак, В.В. Руденко)
Теоретически предсказаны и экспериментально исследованы спиновые кроссоверы в ферроборатах при высоких давлениях. Предложен новый механизм перехода металл-диэлектрик, индуцированный ослаблением сильных корреляций за счет спинового кроссовера при высоких давлениях. (Гаврилюк и др., Письма ЖЭТФ 2004; Любутин и др., Письма ЖЭТФ 2006; Гаврилюк и др., Письма ЖЭТФ 2008; Овчинников Письма ЖЭТФ 2011; Gavrilyuk etal, ЖЭТФ 2005; Овчинников ЖЭТФ 2008; Казак и др., ЖЭТФ 2009; Ding etal, Phys. Rev. Lett 2008; Gavriliuk etal, Phys. Rev. B 2008; Lyubutin etal, Phys. Rev. B 2009; Ovchinnikov, J. Phys. Cond. Mat. 2005; Ovchinnikov, JMMM 2006). - Теория сильно коррелированных электронных систем
(С.Г. Овчинников, В.А. Гавричков, М.М. Коршунов, Е.И. Шнейдер)
Развит метод расчета электронной структуры сильнокоррелированных систем, не содержащий подгоночных параметров (Коршунов и др. ЖЭТФ 2004; Korshunov etal, Phys. Rev. B 2005; Korshunov etal, J. Phys. Cond. Mat. 2007; Ovchinnikov S.G. etal, «LDA+GTB method for band structure calculations in the strongly correlated materials». Глава в книге «Theoretical Methods for strongly Correlated systems», Springer Series in Solid-State Sciences. Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2012).
Рассчитана электронная структура и поверхность Ферми дырочных и электронных купратов — высокотемпературных сверхпроводников при разных концентрациях допирования. Показано наличие двух квантовых фазовых переходов Лифщица между слабодопированным псевдощелевым состоянием и сильнодопированной нормальной ферми-жидкостью (Korshunov etal, Eur. J. Phys. B 2007; Макаров и др. Письма ЖЭТФ 2009; Овчинников и др., ЖЭТФ 2009; Korshunov etal, J. Phys. Cond. Mat. 2010).
Построена теория сверхпроводимости в духе БКШ в режиме сильных электронных корреляций. Показано, что фононный и магнитный механизмы дают вклады одного порядка в критическую температуру. Получена правильная концентрационная зависимость изотоп-эфекта с минимумом в точке оптимального допирования (Овчинников и др., ЖЭТФ 2005, Шнейдер и др., ЖЭТФ 2009).
Рассчитана электронная структура манганитов и кобальтитов с учетом сильных корреляций, в рамках которой изучаются механизмы электронных и магнитных превращений (Овчинников и др., ЖЭТФ 2007; Орлов и др., ЖЭТФ 2009; Овчинников и др, ЖЭТФ 2011; Иванова и др., УФН 2009; Овчинников и др., Письма в ЖЭТФ 2010).
- Теоретическое моделирование наноструктур: углеродных и неуглеродных наночастиц, нанотрубок, биологических молекул
(А.С. Федоров, П.В. Аврамов, Ф.Н. Томилин)Показано, что в наночастицах сильные корреляции могут давать аномальный красный сдвиг края поглощения при уменьшении размера. Исследован аномальный квантовый конфайнмент в кремниевых нанопроводах и наноточках (Овчинников и др., ФТТ 2007; Овчинников, Известия РАН 2008; Sorokin etal, Phys. Rev. B 2008; Sorokin etal, J. Phys. Chem. 2008; Avramov etal, J. Appl. Phys. 2008).
Расчет кристаллической и электронной структуры нанослоев β-FeSi2 показал структурную перестройку поверхностных слоев с их металлизацией. Установлена возможность эпитаксиального роста β-FeSi2 на поверхности монокристалла Si(100) (Федоров и др., Ж. СФУ 2011).
Проведены первопринципные расчеты кластеров, моделирующих белковые молекулы обелина. На основании этих расчетов прояснен молекулярный механизм люминесценции в этих белках. Рассчитаны также электронная структура и оптические спектры поглощения молекул феромонов и исследована их устойчивость к взаимодействию с компонентами воздуха (Томилин и др., Биофизика 2009; Томилин и др. Биофизика 2011; Tomilin etal, Luminescence 2010; Антипина и др. монография «Биолюминесценция фотопротеина обелина. Квантовохимическое описание» 2010, Saarbrucken: LAP Lambert Academic Publishing; Овчинников и др., Письма в ЖЭТФ 2010).
Важнейшие результаты научной деятельности:
- 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.
- 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
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.
-
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 Co3-xFexO2BO3. 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 La2-xSrxCuO4 с ростом концентрации допирования приводят к двум квантовым фазовым переходам Лифшица.
- 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.
Основные методы и технологии исследования
Технология термического распыления наноструктур в сверхвысоком вакууме, методы транспортных, эллипсометрических и магнитооптических измерений, методы рентгеновской спектроскопии и магнитооптики с синхротронными источниками. Методы расчета наноструктур и кластеров из первых принципов, авторский гибридный метод LDA+GTB для расчета сильно коррелированных электронных систем.
Экспериментальное научное оборудование
- Установка МЛЭ «Ангара»,, модифицированная для напыления магнитных наноматериалов с эллипометрическим in situ контролем толщины и эффекта Керра.
- Спектральный эллипсометр «Эллипс-1891».
- Самодельный сверхвысоковакуумный технологический и исследовательский комплекс «Магнитоэллипсометр».
- Магнитооптический спектрофотометр с гелиевым криостатом и магнитным полем до 4,2 Т.
- Спектрометры для измерения магнитооптических эффектов Фарадея, магнитного кругового и линейного дихроизма.
Разработки
- Технология создания прозрачных постоянных магнитов на основе стекол с добавками магнитных наночастиц.
- Методы магнитоэллипсометрии для in situ и ex situ измерений.
- Сверхвысоковакуумный технологический и исследовательский комплекс «Магнитоэллипсометр».