сверхпроводники

Зарядовый порядок в Nd2-xCexCuO4

В купратных ВТСП проявляются неустойчивости электронной подсистемы, приводящие к возникновению различных типов параметра порядка, а не только к сверхпроводимости. Имеют ли они какое-то отношение к механизму куперовского спаривания, остается неясным. Общим для всех ВТСП с дырочным типом допирования является наличие в псевдощелевой фазе зарядового порядка (charge ordering, CO), конкурирующего со сверхпроводимостью. В купратах с электронным допированием СО пока не был обнаружен.

 

Фазовые диаграммы купратных ВТСП с электронным и дырочным допированием.
SC
– сверхпроводимость, AF – антиферромагнетизм, CO – зарядовый порядок.
Зеленый и серый цвет – псевдощелевые фазы.

 

В  работе  [1]  (Канада,  Германия,  США)  сообщается  о  наблюдении  СО  в  электронном  ВТСП
Nd
2-xCexCuO4 с близким к оптимальному уровнем допирования x = 0.14÷0.15. Используя методику резонансного рассеяния рентгеновских лучей, авторы [1] установили, что этот СО имеет такую же периодичность (четыре постоянные решетки) и такое же направление (вдоль связей CuO), как и в дырочных ВТСП. Однако, в отличие от последних, температура образования СО (≈ 340 К) выше, чем температура появления псевдощели (80÷170 К), но близка к температуре возникновения антиферромагнитных флуктуаций (≈ 320 К). Для прояснения роли антиферромагнетизма в формировании СО требуются дальнейшие исследования.

Л.Опенов

1. E.H. da Silva Neto et al., Science 347, 282 (2015).

Антиферромагнитные спиновые флуктуации и
куперовское спаривание в пниктидах железа

На роль бозонов, обмен которыми приводит к куперовскому спариванию электронов в пниктидах железа, претендуют, во-первых, антиферромагнитные спиновые флуктуации и, во-вторых, d-орбитальные флуктуации, усиленные фононами. Чтобы разобраться, какие же из них ответственны за сверхпроводимость безмедных ВТСП, авторы работы [1] (США, Шотландия, Япония, Тайвань) сопоставили экспериментальные данные по интерференции квазичастиц в LiFeAs с расчетами собственно-энергетической части электронной функции Грина, выполненными с учетом рассеяния квазичастиц на флуктуациях того или иного происхождения. Оказалось, что наилучшее соответствие имеет место для антиферромагнитных спиновых флуктуаций. По-видимому, именно они являются основным “спаривающим клеем” в пниктидах.

1. M.P.Allan et al., Nature Phys. 11, 177 (2015).

КВАНТОВЫЕ СИСТЕМЫ

Одиночные спины в карбиде кремния

Большие времена t спиновой когерентности центров азот-вакансия в алмазе и примесей фосфора в кремнии делают эти объекты привлекательными для использования в квантовой информатике. Теперь у них появились конкуренты – электронные спины нейтральных бивакансий (рис. 1) и одиночных кремниевых вакансий (рис. 2) в карбиде кремния [1, 2].

 

Рис. 1. Четыре возможных типа ориентации бивакансии в SiC. Синие и красные пунктирные кружки – одиночные вакансии кремния и углерода, соответственно.

Рис. 2. Спины одиночных кремниевых вакансий в SiC (красные стрелки) контролируются и регистрируются с использованием внешнего магнитного поля Bо.

Авторы статьи [1] (США, Швеция, Япония) получили t  = 1.2 мс при Т = 20 К, тогда как в работе [2] (Германия, Швеция, Китай, Япония, Венгрия) величина t составила (0.16 ÷ 1) мс при комнатной температуре. Обе группы использовали спин-зависимую фотолюминесценцию для регистрации спинов и импульсное СВЧ магнитное поле для управления ими. Дальнейшего увеличения t  можно добиться, очистив образцы от изотопов 13C и 29Si с ненулевыми ядерными спинами.

По материалам заметки
“Single spins in silicon carbide”,
A.Morello, Nature Mater. 14, 135 (2015).

1. D.J.Christle et al., Nature Mater. 14, 160 (2015).

2. M.Widmann et al., Nature Mater. 14, 164 (2015).

наноматериалы

Оценка рисков воздействия наноматериалов, используемых в армии

Изучение воздействия наноматериалов (НМ) и наночастиц (НЧ) на организм человека является необходимым условием обеспечения их безопасного производства и использования. Методология оценки рисков воздействия НМ интенсивно развивается во всем мире. В последние годы в России были разработаны специальные регламенты и методические рекомендации [1,2], однако по-прежнему остается много вопросов. Для наноматериалов пока окончательно не выбраны показатели воздействия, неизвестны коэффициенты риска. Ученые НИЦ “Курчатовский институт”, используя накопленный опыт применения методов оценки риска от воздействия ионизирующего излучения и других источников вреда, представили свой подход к разработке методики оценки риска воздействия НЧ и нанобиоматериалов (НБМ) [3]. По их мнению, эта частная конкретная методика должна разрабатываться на основе общей, применимой к любому источнику вредного воздействия.

Американские ученые предложили применять для оценки воздействия НМ и НЧ алгоритм ранжирования относительных рисков [4]. Они рассмотрели реальный случай использования наноматериалов в армии и учли не только их физико-химические характеристики, но также характеристики армейского оборудования, в котором есть конкретный наноматериал. В данном случае оборудование – это сенсоры, аккумуляторы, фильтры, перевязочные материалы, различные нанокомпозиты, аэрозольные завесы, смазочные материалы и многое другое (даже “использование НМ в исследованиях и разработках”). Опросив специалистов, авторы [4] создали базу данных для пар НМ-оборудование, куда данный НМ входит. В анализе использовали 45 НМ, 30 видов армейского оборудования и 133 пары НМ-оборудование. На основе имеющихся научных данных было выбрано 27 физико-химических характеристик НМ для ранжирования риска. Основные – потенциал деградации, поверхностный заряд, токсичность, размер и форма частиц, растворимость. Эти характеристики связаны с тремя факторами риска – возможным выбросом НМ (вероятностью попадания в окружающую среду при использовании данного оборудования), воздействием (вероятностью попадания в организм солдата или работника при вдыхании, через кожу и др.), токсичностью.

Также были выбраны характеристики армейского оборудования, важные для определения относительного риска пары. Это – количество НМ, входящего в данное оборудование; число “изделий” с данным НМ; количество людей, которые могут подвергаться воздействию; цель использования НМ (например, для защитного слоя одежды или создания аэрозольной завесы); способ использования (порошок, в полимерной матрице и т.д.); несовместимость с какими-либо материалами и некоторые другие.

На рис. 1 показано распределение наноматериалов по 133 парам. На 1 месте оказались углеродные нанотрубки (13 вариантов применений), затем Ag, Au, Al (6 вариантов).

Рис.1. Распределение наноматериалов по 133 парам НМ-оборудование

Были определены показатели относительного риска для пар НМ-оборудование, наноматериалов и армейского оборудования. Оказалось, что самый высокий риск среди пар представляют Al, Cu, Ti в дымовых и аэрозольных завесах (сценарий вдыхания при случайном выбросе), а наименьший – керамика, углеродные НМ в составе твердой матрицы (броня, автомобили). Среди оборудования высокие показатели относительного риска имеют аэрозольные завесы и армейские дымы (в их состав входят Cu, Al, TiO2, латунь); среди НМ – Cu, латунь, TiO2, Pd, Ag (используются в дымовых и аэрозольных завесах, сенсорах, источниках энергии и др.) (рис. 2). Как видно, довольно высокий показатель риска у углеродных нанотрубок, которые в основном используются в составе смазочных материалов и для исследований.

Рис. 2. Показатели относительного риска для наноматериалов.

Работа особенно интересна тем, что исследованы реальные наноматериалы в реальном армейском оборудовании, а не гипотетические или исходные НМ. Использование алгоритма ранжирования относительных рисков позволяет определить материалы и изделия, представляющие самый высокий риск для здоровья, то есть выбрать приоритетные направления дальнейших исследований.

О. Алексеева

1. ПерсТ 18, вып. 9, с .4 (2011).

2. Методические рекомендации МР 1.2.0038-11. – М.: ФЦГиЭ Роспотребнадзора (2012).

3. В.Ф.Демин и др., Молекулярная медицина, №4 (2012).

4. K.D.Grieger et al., Environ. Syst. Decis., published online 24.12.2014; http://link.springer.com/article/10.1007%2Fs10669-014-9531-4

В шаге от углеродных полипризманов?

Давно прошли те времена, когда под аллотропами углерода понимали лишь три его модификации: карбин, графит и алмаз. Наука не стоит на месте, и появились фуллерены, графен, углеродные нанотрубки и другие удивительные наносистемы. Вообще, складывается впечатление, что из углерода можно построить любую молекулярную структуру. Среди всего этого многообразия особый интерес представляют соединения с нетрадиционной геометрией углеродного каркаса, в котором ковалентные связи обладают значительным напряжением. Наиболее ярким примером может служить кубан C8H8. В молекуле кубана атомы углерода расположены в вершинах куба, так что угол связи C–C–C равен 90°, в отличие от обычной для sp3-гибридизованных углеродных орбиталей величины 109.5°. Однако кубан – это всего лишь частный случай углеродных полипризманов или [n,m]призманов (классификация впервые была предложена нашими соотечественниками Р.М. Миняевым и В.И. Минкиным [1]). Углеродные [n,m]призманы, можно рассматривать как уложенные слоями дегидрированные молекулы циклоалканов, где m – число вершин замкнутого углеродного кольца, а n – число слоев (см. рис.). Таким образом, при больших n полипризманы представляют собой аналоги одностенных углеродных нанотрубок с экстремально малым поперечным сечением в виде правильного многоугольника. Полипризманам прочат большое будущее в качестве нанопроводов, элементов вычислительной логики, стабилизационной основы высокоэнергетических материалов, зондов (игл) атомно-силового микроскопа и т.д. Однако эффективных методик их синтеза пока не разработано. Получены лишь “простейшие” их представители: бензол Ладенбурга C6H6, кубан C8H8 и [2,5]призман C10H10. Попытки синтеза даже [2,m]призманов, начиная с [2,6]призмана C12H12, успехом пока не увенчались.

Тем не менее, перед исследователями уже сейчас стоит ряд конкретных вопросов: каковы предельные температурные режимы работы материалов на основе полипризманов, как оценить времена жизни образцов в экстремальных условиях, как будут изменяться электронные характеристики (например, проводимость) с увеличением эффективной длины образцов, как будет влиять краевое допирование на их механические свойства, наконец, какие соединения из семейства полипризманов наиболее термодинамически и кинетически устойчивы и являются наиболее вероятными кандидатами для практического использования.

 

Структура [n,6]призмана (полигексапризмана)

 

 

Авторы работы [2] постарались отыскать ответы хотя бы на некоторые из них. Выполнив ряд расчетов для самых маленьких представителей семейства – гекса-C12H12 и октапризмана C16H16 – в рамках теории функционала плотности (программный комплекс GAMESS) и неортогональной модели сильной связи, исследователи пришли к выводу, что термическая устойчивость этих соединений уменьшается при увеличении числа вершин в циклах. Например, при комнатной температуре времена жизни, приведенные авторами, составляют 100 мкс и 1 нс для гекса- и октапризмана, соответственно. Другими словами, времена жизни этих соединений для комфортного экспериментального наблюдения и, тем более, лабораторного синтеза достижимы лишь при криогенных температурах. При этом основным механизмом термического распада как гекса-, так и октапризмана является разрыв межциклических связей и расщепление кластера на два независимых кольца – молекулы бензола или циклооктатетраена. Авторы предлагают обратить на это внимание с целью поиска новых способов получения призманов, например с помощью сверхвысоких давлений, используя в качестве прекурсоров циклические молекулы C6H6 и C8H8. Подводя итоги работы, становится понятно, что синтез даже простейших полипризманов является нетривиальной задачей, не говоря уже о более сложных представителях семейства. Поэтому пока еще рано говорить о том, что полипризманы вот-вот будут получены, но будем надеяться, что рано или поздно ученым покорится и эта научная головоломка.

М. Маслов

    1. R.M.Minyaev et al., J. Org. Chem. 68, 8588 (2003).

    2. С.А.Шостаченко и др., ФТТ 57, 1007 (2015).

снова к основам

Градусник для нано

Измерение температуры с пространственным разрешением 1 ¸ 10 нм – исключительно сложная и пока не решенная задача. Контактные методы предполагают наличие термической связи с образцом, что приводит к сильному искажению его локальных характеристик, а разрешение бесконтактных методик ограничено длиной волны излучения. Между тем современные микроэлектронные устройства содержат наноразмерные элементы, в окрестностях которых температура распределена неоднородно, и характер этого распределения нужно учитывать на стадии проектирования.

В работе [1] предложен новый подход к проблеме “плазмонной термометрии”. Величина энергии E, требующейся для возбуждения плазмона в металле, определяется концентрацией валентных электронов, а значит плотностью материала, которая, в свою очередь, является функцией температуры. Откалибровав предварительно зависимость E(T), используя сканирующий просвечивающий электронный микроскоп и спектроскопию потерь энергии быстрыми электронами, авторы [1] нашли распределение температуры в алюминиевых нанопроводах. Разрешение по координате при этом составило ~ 5 нм, а точность определения температуры 3 ¸ 5 К.

    1. M.Mecklenburg et al., Science 347, 629 (2015).

СИНХРОТРОННОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ

Магнитный линейный дихроизм для контроля магнитной памяти в
антиферромагнетике при комнатной температуре

Как известно, наличие магнитной бистабильности в ферромагнетике служит основой для устройств магнитной памяти. Благодаря наличию ненулевой намагниченности в ферромагнетике электронные спины могут быть переориентированы внешним полем, большим коэрцитивного поля, величина которого ограничена полями магнитной анизотропии и обычно не превышает 1 Тл. Недавно получила развитие концепция магнитной памяти на антиферромагнетиках, в которых нулевая суммарная намагниченность приводит к меньшей чувствительности магнитного состояния к флуктуациям внешнего магнитного поля по сравнению с ферромагнетиками. В работе [1] (США, Чехия, Испания, Великобритания) сообщается о создании элемента антиферромагнитной (AFM) памяти, имеющего геометрию омического резистора. Благодаря анизотропному магнитосопротивлению (АМС) возможно управление AFM памятью внешними электрическими полями. Контроль магнитного состояния проводили с помощью рентгеновского магнитного линейного дихроизма (XMLD). Образец представлял собой монокристаллическую пленку антиферромагнетика FeRh толщиной 100нм на подложке MgO. При повышении температуры в этом материале в районе 400К имеет место переход из антиферро- в ферромагнитную фазу. В ферро-магнитной фазе при Т > 400K направление намагниченности задается внешним магнитным полем. Образец охлаждали в поле до Т = 200К, и в этом антиферромагнитном состоянии в отсутствие внешнего магнитного поля измеряли сопротивление току, направленному вдоль кристаллографической оси [100] подложки. Аналогичные измерения сопротивления с охлаждением в магнитных полях вдоль осей подложки [100], [010] показали стабильность и полную воспроизводимость в последовательных циклах записи-считывания (рис. 1).

Рис. 1. Схема FeRh AFM резистора (а), для записи образец охлаждается от ферромагнитного состояния при 400К в поле HFC до AFM при 200К. Сопротивление в нулевом внешнем поле при 200К (b) и 300K (c) при двух направлениях HFC параллельно (синий) и перпендикулярно (красный) направлению тока. Стабильность двух состояний АМС при изменениях величины (d) и направления (е) магнитного поля. Рассчитанные по формуле Кубо величины АМС для AFM и гипотетического ферромагнитного основного состояния образца (f).

 

Рис. 2. XMLD на Fe L-краю при HFC||[100] (а) и HFC||[010] (b) в AFM состоянии
при комнатной температуре и в ферромагнитной фазе при 500К (с).

 

В данном случае два направления внешнего магнитного поля при охлаждении задают два различных состояния сопротивления в AFM. Эти различные состояния сохраняются не только при удалении внешнего магнитного поля, но и при нагреве образца до комнатной температуры, при которой AFM состояние FeRh остается стабильным. Величина АМС определяется через разность величин сопротивления при направлениях оси спинов параллельно и перпендикулярно току.

Макроскопические измерения, показанные на рис. 1, необходимо дополнить контролем магнитного состояния образца при разных величинах внешнего магнитного поля и температуры. Авторы [1] использовали XMLD метод, который равно пригоден как для ферромагнитного, так и для AFM состояния (рис. 2). Сигнал XMLD определяется как разность интенсивности поглощения при линейной поляризации рентгеновских лучей c напряженностью электрического поля E параллельно [100] и [010]. Измерения проводили на станции 4.0.2 синхротрона ALS в Lawrence Berkeley Natl. Lab. (США). Сигнал XMLD является четной функцией микроскопического магнитного момента, и поэтому он имеет место как в ферро -, так и в антиферромагнитной фазах. Сравнение данных, представленных на рис. 2а, 2b и 2с, показывает примерно равные величины и форму, но противоположные знаки эффекта XMLD в разных фазах.

Таким образом, авторы [1] продемонстрировали возможность создания AFM памяти с резистивной записью и считыванием. В заключение они обсуждают пути улучшения функциональных характеристик прибора.

С. Овчинников

 

 

1. X.Marti et al., Nature Mater. 13, 367 (2014).

Для праздного ума

“Мысли рационализатора” или флаг как электрогенератор

Вид попусту развевающихся на ветру флагов, очевидно, не дает покоя изобретателям из École Polytechnique (Франция), опубликовавшим статью в новом журнале Американского физического общества Physical Review Applied [1]. В духе рацпредложений героя вынесенной в заглавие интермедии Аркадия Райкина, они предлагают новый эффективный способ сбора даровой энергии (energy harvesting).

В последнее время появился ряд сообщений, в которых продемонстрирована возможность съема электрической энергии с полощущегося на ветру флага со вшитыми пьезоэлементами. Однако задача сопряжения пьезоэлементов с выходной цепью является нетривиальной, поскольку возникающая при этом отрицательная обратная связь может уменьшать амплитуду колебаний флага, снижая эффективность устройства. Задачей работы [1] была оптимизация данной системы.

В качестве нагрузки, на которую были замкнуты пьезоэлектрические элементы, выступала система из индуктивных и омических элементов, которые вместе с пьезоэлементами образовывали колебательный контур, настроенный в резонанс с механическими колебаниями флага. Благодаря явлению синхронизации авторам [1] удалось повысить стабильность колебаний флага (малые флуктуации скорости ветра, которые ранее смещали частоту автоколебаний флага, в оптимизированной системе не оказывали воздействия), а также понизить величину минимальной скорости, при которой возникали колебания флага. Все это позволило расширить диапазон силы ветра, при которой работало устройство, увеличить его энергетический выход и стабильность работы. 

А. Пятаков

1. Y.Xia et al., Phys. Rev. Appl. 3, 014009 (2015).

КОНФЕРЕНЦИИ

Научная сессия ОФН РАН, посвященная
75-летию ИЗМИРАН, 25 февраля 2015 г.

(конференц-зал Института земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н.В. Пушкова РАН, г. Троицк)

Программа

1.Вступительное слово 

2. Д.ф.-м.н. Кузнецов В.Д. (ИЗМИРАН) -
ИЗМИРАН вчера, сегодня и завтра

3.Приветствия гостей

4. Академик А.Д. Гвишиани (ГЦ РАН) -
Изучение магнитного поля Земли и сеть магнитных обсерваторий России

5. Д.ф.-м.н. Д.Д. Соколов (физфак МГУ) -
Проблемы магнитного динамо

6. Член-корр. РАН А.А. Петрукович (ИКИ РАН) -
Магнитосферно- ионосферные связи

7. Д.ф.-м.н. Д.С. Лукин (МФТИ) -
Современные проблемы ионосферного распространения радиоволн

8. Д.ф.-м.н. В.В. Сафаргалеев (ПГИ КНЦ РАН), Т.И. Сергиенко (IRF, Sweden), А.Е. Козловский (SGO, Finland), А.В. Сафаргалеев (СПбГУ),
А.Л. Котиков (СПбФ ИЗМИРАН) -
Магнитные и оптические измерения и признаки магнитного пересоединения в области дневного каспа

9. Д.ф.-м.н. Кузнецов В.Д. (ИЗМИРАН) -
Результаты и перспективы космических исследований Солнца

Web: http://www.gpad.ac.ru/prog/sessions/session15_02_25.htm

_________________________________

Внимание!

С апреля 2006 г. ПерсТ выпускается только в электронном формате и представлен по адресу http://perst.issp.ras.ru .
Желающие получать выпуски ПерсТа по своему электронному адресу могут сообщить его в адрес редакции
 perst@issp.ras.ru.


Главный редактор И.Чугуева  irina@issp.ras.ru  тел: (499) 995 16 21

Научные редакторы: К.Кугель kugel@orc.ru, Ю.Метлин

В подготовке выпуска принимали участие: О.Алексеева, М.Маслов, С.Овчинников, Л.Опенов,  А.Пятаков

Выпускающий редактор: И.Фурлетова