1992-1996; 1997; 1998; 1999; 2000; 2001; 2002; 2003; 2004; 2005; 2006; 2007; 2008; 2009; 2010; 2011

В области теоретических исследований:

Исследованы процессы распространения возбуждений различной природы (спиновых, упругих, электромагнитных), а также их взаимодействие, в аморфных средах и стохастически модулированных сверхрешетках. Рассмотрены эффекты, обусловленные одно-, двух- и трехмерными неоднородностями периода сверхрешетки. Показано, что длинноволновые неоднородности могут приводить к увеличению щели в спектре возбуждений на границе субзоны Бриллюэна, а коротковолновые – только к уменьшению и закрытию этой щели. Выполнен расчет экспериментально измеряемых параметров, и поставлены целенаправленные эксперименты по наблюдению этих явлений. В результате впервые экспериментально наблюдался эффект (отклонение эффективной обменной жесткости от среднего значения), обусловленный брегговским рассеянием спиновых волн на периоде мультислойности структуры тонкой магнитной пленки. Установлено, что это позволяет измерять величину запрещенной зоны для спиновых волн в таких системах.

В рамках ряда международных проектов (США, Финляндия, Чехия) ведутся работы по численному моделированию структуры токов в наноразмерных проводниках и структурах. Сотрудниками Института впервые было предсказано появление вихревых структур электронного тока в этих системах, принципиальным следствием чего является подавление проводимости при отсутствии активного сопротивления проводника. При исследовании влияния квантовых вихрей на осцилляции Ааронова-Бома, возникающие в магнитном поле, в двумерных кольцах обнаружено два новых эффекта: в случае, когда магнитная длина превышает ширину кольца, токовые вихри приводят к выравниванию фаз по внутренним и наружным электронным траекториям внутри кольца, и в результате вихревые структуры, обусловленные осцилляциями Ааронова-Бома, оказываются строго периодическими; если же магнитная длина становится меньше ширины кольца, осцилляции Ааронова-Бома становятся нерегулярными и ток переходит в конвекционный режим.

После открытия в классической механике хаотического режима движения вновь разгорелась дискуссия о принципах соответствия между классической и квантовой механикой. Основная проблема заключается в том, что в случае хаотического режима движения время соответствия между квантовой и классической динамикой является чрезвычайно малым даже для квазиклассической системы. В результате проведенных сотрудниками ИФ исследований (в кооперации с учеными Германии) установлено, что решение этой проблемы может быть найдено при учете взаимодействия квантовой частицы с ее макроскопическим окружением. Сформулированы условия, при которых соответствие между квантовой и классической динамикой хаотической системы достигается на всех временах.

В результате исследования магнитных свойств тонких пленок установлена аналогия процессов перемагничивания ферромагнитных слоев и задачи Эйлера об устойчивости упругого стержня. Найдена последовательность пороговых полей потери устойчивости ферромагнитного слоя и обнаружена аналогия импульсного перемагничивания ферромагнетиков и динамической потери устойчивости упругих систем (работы Лаврентьева, Ишлинского). Полученные результаты впервые позволили объяснить и классифицировать накопленные экспериментальные данные по импульсному перемагничиванию ферромагнетиков. Установленные закономерности могут использоваться также для описания процессов переключения в сверхсильных полях сегнетоэлектриков, жидких кристаллов, быстрой кристаллизации, фазовых переходов в несоразмерных и спиральных структурах, импульсных воздействий на экосистемы, ряда других ситуаций, когда время нарастания воздействия меньше времени релаксации системы. Тем самым сделан новый шаг к построению динамической теории катастроф (результат получен совместно с ИБФ).

Развита теория нового квантового эффекта: температурных квантовых осцилляций намагниченности зонных носителей тока в квантующем магнитном поле в сильнокоррелированных системах с переменной валентностью. Показано, что учет s-d(f) взаимодействия между коллективизированной и локализованной подсистемами приводит к существенному увеличению числа квантовых всплесков диамагнитной восприимчивости при изменении температуры. Отмечено, что учет гибридизации через механизм внутриионных корреляций приводит к аномально сильной зависимости амплитуды эффекта де Гааза-ван Альфена и температурных квантовых осцилляций от знака константы обменного взаимодействия. Целенаправленный эксперимент позволил обнаружить данный эффект при измерениях намагниченности монокристаллов магнитного полупроводника HgCr₂Se₄ в сильном магнитном поле (до 70 кЭ) и температурном интервале от 4 до 70 К.

В области физики диэлектриков

Институт известен комплексным подходом к изучению обширных классов сегнетоэлектрических и сегнетоэластических кристаллов. В последние годы его сотрудниками был синтезирован и исследован ряд новых кристаллов семейств слоистых перовскитов и эльпасолитов. В рамках совместных проектов с научными центрами Германии и Франции выполнены измерения их макроскопических свойств, с использованием методов оптической спектроскопии, рентгеновской дифракции, упругого и неупругого рассеяния нейтронов исследованы структура, динамика решетки, механизмы фазовых переходов. В результате анализа большого числа структур перовскитоподобных кристаллов развита иерархическая система их строения, выявлены составы, где возможен синтез новых соединений. Освоены основанные на первых принципах методы расчета равновесных и динамических свойств диэлектрических кристаллов сложной структуры.

В Институте физики были проведены пионерские исследования несоразмерных фаз кристаллов методами радиоспектроскопии. В настоящее время эти работы продолжаются в рамках широкой международной кооперации с научными центрами Франции, Испании, Словении. В частности, в последние годы выполнены уникальные исследования перестройки структуры несоразмерной фазы методом рассеяния нейтронов при одновременном изменении температуры и давления. Исследована необычная последовательность переходов в кристалле K₂ZnBr₄, где несоразмерная фаза переходит в симметрийно необусловленную структуру. В группе слоистых кристаллов Me₃B₂X₃ обнаружены последовательности фазовых переходов, включающие несоразмерные фазы с многокомпонентной модуляцией структуры, практически не исследовавшиеся ранее ни теоретически, ни экспериментально.

В Институте разработана уникальная полупромышленная технология группового выращивания оксидных кристаллов методом раствора в расплаве. Отработаны методики синтеза большого числа монокристаллов гранатов, шпинелей, гексаферритов для научных исследований, практических приложений в оптике, акусто- и оптоэлектронике, других применений.

На основе проведенных в Институте фундаментальных исследований СВЧ электродинамики сложных систем разработаны методы расчета параметров нерегулярных микрополосковых резонаторов и на их основе – технологии изготовления фильтров, мультиплексеров и других интегральных устройств СВЧ диапазона. Создан банк оптимизированных конструкций этих устройств и экспертная система, позволяющая выполнять расчеты конструкций многозвенных СВЧ фильтров метрового, дециметрового и сантиметрового диапазонов с заданными эксплуатационными характеристиками. С использованием этого научного задела и элементной базы разработан и изготовлен ряд приборов: ФМР спектрометр для локального измерения параметров магнитных пленок, измерители комплексных диэлектрической и магнитной проницаемостей, измерители влажности, жирности, датчики слабых электромагнитных полей и т. д. Разработаны и переданы для производства в СКТБ “Наука” оригинальные конструкции генераторов озона на основе высокочастотного разряда.

В области физики магнитных явлений

В кристаллах a -Fe₂O₃:Ga, легированных Yb и Eu, впервые наблюдалось поляризационно-зависимое изменение магнитных свойств под действием оптического излучения. Эффект проявляется как фотоиндуцированное метастабильное изменение параметров антиферромагнитного резонанса и наблюдается при температурах ниже 70 К для Eu и ниже 130 К для Yb. В результате исследования температурных и угловых параметров магнитного резонанса, а также кинетики индуцированных изменений, установлено, что возникающие изменения магнитного состояния связаны с перестройкой фотоцентров, содержащих редкоземельные ионы, в зависимости от поляризации оптического излучения. Фоточувствительным центром является комплекс из кислородной вакансии и двухвалентного иона редкой земли, который при облучении с поляризацией, параллельной магнитному полю превращается в сильно анизотропный центр, состоящий из F-центра, обменно-связанного с трехвалентным ионом редкой земли.

Разработана технология выращивания монокристаллов CuGeO₃. В результате проведенных комплексных исследований его магнитных свойств в широкой области температур впервые был обнаружен и исследован спин-пайерлсовский переход в этом кристалле. Изучено влияние стехиометрии образцов на параметры перехода, предложен механизм этого влияния.

Методом молекулярно-лучевой эпитаксии получены многослойные пленочные структуры Fe/Cu, Fe-Ni/Cu, изотопические сверхрешетки Fe⁵⁶/Fe⁵⁷ с толщиной слоев от 0.5 до 10 нм и числом двойных слоев от 10 до 20. Исследована их структура, магнитные и магнитооптические свойства. Обнаружено резонансное увеличение эффекта Фарадея в таких структурах.

Изучено поведение спектральных зависимостей комплекса магнитооптических эффектов в мультислойных структурах магнитный металл - немагнитный диэлектрик при изменении толщин и количества слоев. Обнаружено резкое возрастание эффекта Фарадея в ультрафиолетовой области (на порядок по сравнению с однородной пленкой соответствующего металла) и выявлены оптимальные условия его усиления. Показана возможность варьирования магнитооптических параметров этих структур в широких пределах.

Методом импульсно-плазменного напыления с лазерным поджигом отработана технология получения пленок 3d металлов с метастабильными фазами. Путем варьирования интенсивности и длительности потока испаряемого материала, глубины вакуума и температуры подложки получены пленочные материалы со специфической ультрадисперсной структурой. В результате комплексного исследования их физических свойств обнаружены принципиальные отличия основных магнитных характеристик метастабильных пленочных структур железа, кобальта, никеля от аналогичных, свойственных их термодинамически равновесным фазам. Так, метастабильное железо характеризуется в двадцать раз меньшей величиной постоянной обмена, в десять раз большей константой магнитокристаллической анизотропии, на треть меньшей намагниченностью; метастабильные кобальт и никель немагнитны при комнатной температуре. В пленках метастабильного железа в спектре спиновых волн обнаружена особенность типа “излом намагниченности”. Согласно развитой ранее в Институте теории распространения волн в неоднородных и аморфных средах, это указывает на существование в спиновой системе сильных флуктуаций намагниченности. Измерен корреляционный радиус этих флуктуаций и его зависимость от технологических параметров.

Обнаружен новый тип структурных изменений аморфных сплавов на стадии структурной релаксации: фазовое превращение “аморфная фаза 1 - аморфная фаза 2”, происходящий отжиге аморфного сплава в докристаллизационной области температур.

Экспериментально обнаружены осцилляции намагниченности насыщения и температуры Кюри в мультислойных пленках Со/Cu с ультратонкими слоями Со. Показано, что физической причиной их возникновения является осциллирующий характер зависимости межплоскостного обменного взаимодействия от толщины немагнитной проводящей прослойки.

Отработана технология получения макетов магнитооптических дисков на основе мультислойных пленок Mn/Dy/Bi. Проведены исследования их физических свойств, определены структурные, магнитные, электрические и магнитооптические параметры, проведены эксперименты по термомагнитной записи битовой информации. Исследовано влияние отжига на структуру пленок. Предложена интерпретация наблюдавшихся эффектов в рамках подхода металлических кластеров. Показано, что использование мультислойной технологии повышает полярный магнитооптический эффект Керра до 4-5° без использования антиотражающих покрытий при коэффициенте отражения 50-60 %, увеличивает временную стабильность основного состояния (структурного и магнитного), в значительной степени уменьшает шумы. Это позволяет в несколько раз улучшить основные эксплуатационные характеристики магнитооптических систем хранения информации по сравнению с используемыми в настоящее время. Совместно с Институтом автоматики и электрометрии СО РАН ведется разработка макета магнитооптического устройства хранения информации на основе этих дисков.

Разработана оригинальная плазмохимическая технология получения ультрадисперсных порошковых материалов. С ее использованием получены фуллерены, а также металлофуллереновые смеси, содержащие комплексы фуллеренов с гадолинием, тербием, цинком, железом (как внутри-, так и внешнесферным). Проведены их оптические, мессбауэровские и ЭПР исследования.

В Институте создан комплекс установок для исследования свойств твердых тел в сильных магнитных полях (до 20 Т). Совместно с ГНЦ “Курчатовский научный центр” выполняется программа создания самого мощного в России магнита; в рамках этой программы изготовлены основные конструктивные элементы соленоида типа “полигеликс”.

Разработан метод определения угла ориентации нематического жидкого кристалла, находящегося в сильном магнитном поле, по интенсивности поглощения света. Определена энергия полярного сцепления нематика на положительном домене скола сегнетоэлектрического кристалла ТГС по измерению порогового магнитного поля эффекта Фредерикса. Впервые достигнуто магнитное поле насыщения для планарного слоя нематика, заключенного между двумя отрицательными доменами скола ТГС. Выполнен расчет эффективной энергии сцепления НЖК-ТГС.

Предложено объяснение вариации напряженности геомагнитного поля с характерным временем порядка 1600 млн. лет перемещением внутри Галактики “магнитных звезд”, изменяющих “затравочное” магнитное поле внутри Земли. Рассмотрено влияние твердого субъядра Земли, обладающего магнитной анизотропией, на работу земного гидромагнитного динамо.

Проведены исследования и разработана принципиально новая методика магнитной сепарации минералов во встречных пульсирующих градиентных магнитных полях, позволяющая выделять из железных руд сернистые продукты, кварц, ряд других примесей. На макете такого сепаратора изучены процессы сухой магнитной сепарации сульфидов и окислов железа. На ряде продуктов: пирротиновом концентрате, рудах Норильского ГМК и магнетитовых рудах юга Сибири, искусственных (50:50) магнетит-пирротиновых смесях – показана возможность разделения магнитных сульфидов и окислов железа экологически чистым способом, который может быть использован для повышения качества промпродуктов и доизвлечения металлов из “хвостов”. Ряд предприятий Сибири уже высказали заинтересованность в совместном создании полупромышленного сепаратора такого типа.

В области высокотемпературной сверхпроводимости:

Развит метод теоретического описания электронной структуры веществ с сильными электронными корреляциями. Метод основан на точной диагонализации многоэлектронного гамильтониана внутри электронной ячейки с приближенным описанием межъячеечных перескоков и взаимодействий. Описание одночастичных фермиевских возбуждений в предложенном многоэлектронном варианте зонной теории принципиально отличается от результатов традиционной одноэлектронной зонной теории: число состояний в зоне квазичастиц может быть дробным и зависит от концентрации электронов. Рассчитана зонная структура недопированных La2CuO4 и Nd2CuO4 с правильной величиной диэлектрической щели и магнитного момента меди. Предсказан новый механизм появления глубоких примесных уровней в диэлектриках с сильными электронными корреляциями. Показано появление новых состояний внутри щели при дырочном допировании CuO2 слоев. Предложен многоэлектронный метод расчета рентгеновских спектров с учетом сильных электронных корреляций, рассчитаны спектры меди в La_2-xSr_xCuO₄, проведено их детальное сравнение с экспериментом. Рассчитан закон дисперсии дырок для Sr₂CuO₂Cl₂ в хорошем согласии с экспериментальными данными. Сделан многозонный анализ применимости модели Эмери для оксидов меди. Показана возможная роль спиновых экситонов для сверхпроводящего спаривания и возникновения эффекта высокотемпературной сверхпроводимости.

Синтезированы монокристаллы модельного оксикупрата Bi2CuO4. В рамках международной кооперации с научными центрами Швейцарии и Франции методами нейтронографии изучены детали его магнитной структуры и спектра магнитных возбуждений. Установлено, что магнитная структура кристалла характеризуется наличием четырех магнитных подрешеток с углом неколлинеарности около 3^o, спектр магнитных возбуждений содержит четыре ветви. Развита теория спектра спиновых волн и термодинамики кристалла в рамках спинового гамильтониана с учетом четырехспинового обмена.

Синтезированы композитные структуры “ВТСП–диэлектрик”, “ВТСП–нормальный металл”, “ВТСП–полупроводник”. В результате проведенных исследований систем “ВТСП–полупроводник” с различной концентрацией носителей и эффективной протяженностью слабой связи между сверхпроводящими кристаллитами показано, что на температурной зависимости критического тока в области низких температур наблюдается смена знака кривизны, предсказанная теоретически. При увеличении эффективной толщины полупроводниковой прослойки и уменьшении концентрации носителей в ней эта особенность становится исчезающе малой. Установлено, что в композитах “ВТСП–диэлектрик” реализуется механизм термоактивного проскальзывания фазы в сети слабых связей джозефсоновского типа.

В области радиоспектроскопии:

Развита теория спин-решеточной релаксации в условиях сильного сужения линии ЯМР в твердом теле непрерывным радиочастотным полем, фаза которого модулируется специальным образом последовательно на двух частотах. Показано, что включение новых многочастичных корреляционных функций вместо традиционно используемых двухчастичных позволяет существенно повысить чувствительность релаксационного метода ЯМР к деталям сверхмедленных внутренних движений в твердом теле.

Разнообразными физическими методами, включая методы радиоспектроскопии, изучены физические свойства высокопористого пеноматериала на основе кремне-кальций-кислородной матрицы – продуктов термической активации угольных зол. Обнаружена высокая сорбционная активность материала по отношению к агрессивным соединениям фтора и сделаны заключения о его практическом применении.

На основе разработанной в Институте совместно с Институтом неорганической химии СО РАН оригинальной методики определения адсорбционной способности разработан и изготовлен анализатор “ЯМР-МИКРО”, предназначенный для определения основных параметров и контроля качества природных сорбентов (цеолиты, силикагели, активированные угли, глинистые минералы и др.). Не уступая другим методам анализа по точности, прибор вне конкуренции как средство экспрессной оценки качества сырья: типичное время анализа не превышает нескольких минут.

В области оптики:

Предсказаны и экспериментально исследованы фотоиндуцированные изменения структурной упорядоченности жидких кристаллов, допированных люминесцентными молекулами примеси. Получены новые данные и релаксации ориентационной упорядоченности возбужденных примесных молекул и анизотропии времен релаксации их ориентационных функций распределения.

Накопленный Институтом опыт фундаментальных исследований связи структуры и оптических свойств анизотропных молекулярных сред позволил сформулировать новое направление, связанное с разработкой молекулярных систем электрооптической обработки информации: молекулярная электроника.

Предложены и реализованы новые методы термоадресуемой записи и хранения информации в пленках капсулированных полимером жидких кристаллов в прямом и реверсивном рассеивающем режиме. Оптимизированы технологические режимы модификации пленок сегнетоэлектрических жидких кристаллов, капсулированных в полимере, для получения максимальной эффективности модуляции света. Разработаны новых конструкции безполяроидных модуляторов света на основе таких пленок.

Исследовано резонансное взаимодействие пробного излучения с атомами в присутствие сильного лазерного поля, резонансного смежному двухфотонному переходу. Показано, что эффекты квантовой интерференции могут приводить к безынверсному усилению и увеличению показателя преломления на частоте пробного излучения в отсутствие поглощения.

Выполнены комплексные экспериментально-теоретические исследования фотохромных реакций в коллоидах серебра под действием лазерных импульсов УФ, видимого и ИК диапазонов с различными временными и энергетическими характеристиками. Сформулирована принципиально новая концепция цветовой чувствительности гидрозолей серебра, основанная на учете особенностей взаимодействия частиц дисперсной фазы при объединении их во фрактальные кластеры. Показано, что зависимость скорости лазерно-индуцированного образования фрактальных структур от длины волны качественно совпадает с аналогичной зависимостью, полученной при облучении квазимонохроматическим (ламповым) источником света, а некоторые особенности связаны с проявлением процесса фотомодификации фрактальных агрегатов.