СВЕРХПРОВОДНИКИ

Необычная сверхпроводимость допированного
топологического диэлектрика CuxBi2Se3

Концепция спонтанного нарушения симметрии является ключевой для понимания физики самых различных объектов и систем – от элементарных частиц до конденсированного вещества. Так, например, при переходе в сверхпроводящее состояние нарушается калибровочная симметрия, а в сверхпроводниках с триплетным спариванием (то есть с ненулевым спином куперовских пар) должно, согласно теории, иметь место еще и нарушение симметрии относительно поворота спина. Последнее пытались обнаружить в UPt3 и Sr2RuO4, но безуспешно.

 

 

 

Рис. 1. Кристаллическая структура CuxBi2Se3.
Слева – общий вид (красным прямоугольником выделен структурный блок из пяти атомных слоев). Справа вверху – вид сверху. Справа внизу – гексагональная плоскость кристалла и направление магнитного поля относительно кристаллографических осей.

 

 

В работе [1] (Япония, Германия, Китай) представлены результаты исследования ЯМР в сверхпроводнике Cu0.3Bi2Se3 c Tc = 3.4 К, который получается путем интеркаляции меди в топологический диэлектрик Bi2Se3 (рис. 1). Обнаружена сильная зависимость ЯМР-спектров и сдвига Найта от направления магнитного поля (рис. 2, 3). Это говорит о том, что симметрия относительно поворота спина в гексагональной плоскости нарушается ниже Tс, то есть куперовские пары находятся в триплетном состоянии со спином S = 1.

 

 

Рис. 2. Температурные зависимости сдвига Найта при перпендикулярном (a) и параллельном (b) оси c направлении магнитного поля. Горизонтальные стрелки показывают соответствующие величины сдвига Найта в Bi2Se3.

Рис. 3. Угловая зависимость нормированного изменения (уменьшения) сдвига Найта при понижении температуры от 4 К до 1.4 К.

Л.Опенов

    1. K.Matano et al., Nature Phys. 12, 852 (2016).

Кристаллическая структура сверхпроводящей фазы гидрида серы

Недавно в сероводороде H2S была обнаружена высокотемпературная сверхпроводимость с критической температурой Tc > 200 К при давлении P ~ 150 ГПа [1]. Наличие изотопического эффекта (рис. 1 a, b) указывает на фононный механизм спаривания носителей. Было высказано предположение, что за сверхпроводимость ответственна фаза H3S, которая образуется при разложении H2S под давлением.

Это предположение подтверждено в работе [2] на основании данных рентгеновской дифракции от синхротронного источника. Показано, что сверхпроводящая фаза имеет объемноцентрированную кубическую решетку (R3m или I3m-3m). Экспериментально различить структуры R3m и I3m-3m, отличающиеся друг от друга только расположением атомов водорода относительно атомов серы, не удается из-за слабого рассеяния рентгеновских лучей на атомах водорода. Однако теория предсказывает для этих фаз различную зависимость Tc от давления, причем максимум Tc должен находиться вблизи перехода между ними (см. рис. 1с).

 

Рис. 1. a, b Резистивные сверхпроводящие переходы гидрида серы и его дейтериевого аналога при различных давлениях;
c
- Зависимости критической температуры сверхпроводящего перехода в H3S и D3S от давления
(черная и красная штриховые линии указывают границы между фазами
RR3m и I3m-3m для H3S и D3S, соответственно).

Л.Опенов

1. A.P.Drozdov et al., Nature 525, 73 (2015).

    2. M.Einaga et al., Nature Phys. 12, 835 (2016).

НАНОМАТЕРИАЛЫ

Электронные свойства графдиновых нанотрубок

Хорошо известно, что если свернуть в трубку графеновый лист, то получится классическая одностенная углеродная нанотрубка. Однако класс двумерных углеродных аллотропов, которые легко можно скрутить в трубочку, не ограничивается лишь графеном. Существует и ряд родственных графену наноматериалов, например, предсказанный в 1987 г. графин, в котором бензольные кольца соединены друг с другом ацетиленовыми группами. Если же все ацетиленовые группы графина (−C≡C−) заместить диацетиленовыми (−C≡C−C≡C−), то получится графдин (первое упоминание о нем датируется 1997 годом). Считается, что этот аллотроп является одним из наиболее устойчивых искусственных двумерных углеродных модификаций. Именно из графдина авторы работы [1] решили получить различные углеродные нанотрубки и рассчитать их структурные, электронные и транспортные характеристики. Из графдина, как и из графена, можно скрутить нанотрубки, начав скручивание с края типа “зигзаг” или “кресло” (см. рис. 1).

Рис. 1. Иллюстрация различных способов сворачивания
 графдина в нанотрубку.

Рис. 2. Примеры кресельных графдиновых нанотрубок
 после оптимизации.

Примеры кресельных нанотрубок изображены на рис. 2. Оптимизацию геометрии и расчет электронных свойств авторы выполняли в рамках теории функционала плотности с помощью программного пакета SIESTA, а транспортные характеристики вычисляли с помощью стандартного метода неравновесных функций Грина в программе OpenMX. Авторы отмечают, что в отличие от классических нанотрубок графдиновые трубки обладают пористой поверхностью, что можно использовать в интересах водородной энергетики в качестве аккумуляторов топлива. Длины углеродных связей в графдиновых нанотрубках получились неодинаковыми, что является следствием различного типа гибридизации в углеродных кольцах и диацетиленовых мостиках. Что касается электронных свойств, то все исследуемые нанотрубки являются полупроводниками с шириной запрещенной зоны до одного электронвольта. При этом диэлектрическая щель чувствительна к диаметру трубки: с увеличением диаметра она уменьшается. Сравнивая кресельные и зигзаг-нанотрубки, авторы обращают внимание, что последние обладают более узкой диэлектрической щелью, таким образом, электронам необходима меньшая энергия для перехода из валентной зоны в зону проводимости, что приводит к увеличению тока (расчетные вольт-амперные характеристики исследователи также приводят в работе). Авторы полагают, что перспективы использования графдиновых нанотрубок в приборах наноэлектроники, безусловно, есть, однако, как традиционно бывает в таких случаях, проблема простой и масштабируемой методики синтеза пока остается неразрешенной.

М. Маслов

    1. B.G.Shohany et al., Physica E 84, 146 (2016).

СПИНТРОНИКА

Тернистый путь к магнитоэлектрической памяти

О практическом применении магнитоэлектрических веществ, в частности, в индустрии компьютерной памяти говорится более полувека, а воз и ныне там. Понять проблемы, стоящие перед  создателями магнитоэлектрической памяти, и оценить ее перспективы позволяет недавняя статья [1] (Россия, США, Япония).

Рассматриваемый в статье [1] материал Cr2O3 является первым из открытых магнитоэлектриков: еще в 1960 г. Д.Н. Астровым в нем была измерена намагниченность, индуцированная электрическим полем [2]. То, что эффект наблюдается в Cr2O3 при комнатных температурах еще не означает, что материал годится для использования в микроэлектронике. Так, рабочая температура в процессорах лежит в диапазоне 60¸80°С, а у Cr2O3 температура перехода в парамагнитное состояние составляет всего 34°С. Температуру удается значительно повысить легированием Cr2O3 бором, однако при этом увеличивается магнитная анизотропия, что затрудняет переключение элемента под действием одновременно приложенных магнитного и электрического поля (их произведение должно превышать величину 1011 Э×В/см, что для микроэлектроники явный перебор). Как решение данной проблемы авторами [1] предлагается использовать движение доменной границы между двумя состояниями, символизирующими «1» и «0» (рис.1).

Рис. 1.  Концепция магнитоэлектрической ячейки памяти [1]: a - положение доменной границы, соответствующее «0»; b -  состояние «1».
Синие стрелки – распределение вектора антиферромагнетизма, черным показаны электроды, задающие граничные условия в доменах,
красными знаками «+»/«-» – потенциал на электроде, управляющем доменной границей,
GROUND – заземленный электрод.

Но здесь возникают новые подводные камни. Cr2O3, как и большинство магнитоэлектрических материалов, является антиферромагнетиком. В обычных магнитных материалах-ферромагнетиках скорость доменной границы в полях, меньших так называемого уокеровского предела, увеличивается линейно с ростом поля, что возможно благодаря относительно стабильной структуре границы (по магнитостатическим соображениям разворот намагниченности в плоскости границы более выгоден, чем в других). Однако этот фактор магнитного взаимодействия не работает в антиферромагнетиках, где намагниченности подрешеток полностью компенсируют друг друга. В результате из-за нестабильности структуры стенки ее скорость насыщается уже в малых полях. Чтобы выделить предпочтительно направление разворота намагниченности в антиферромагнетике авторы [1] предлагают создать искусственную анизотропию в плоскости за счет сдвиговой механической деформации (с помощью пьезоэлемента, анизотропной подложки или температурного градиента). Стабилизировав, таким образом, структуру доменной границы, они предполагают разогнать стенку до скорости 100м/с, что при размерах элемента меньше 100нм позволит достичь быстродействия на современном уровне. Главным же достоинством новой памяти является, конечно,  не быстродействие, а энергосбережение: для совершения одной логической операции в самом элементе требуется затратить исчезающее малую энергию 10-21Дж. В реальности это означает, что потери будут определяться только диссипацией в подводящих проводах.   

А.Пятаков

    1.  K.D.Balashchenko et al., Appl. Phys. Lett. 108, 132403 (2016).

    2. Д.Н.Астров, ЖЭТФ 38, 984 (1960).

НАНОСТРУКТУРЫ, НАНОТЕХНОЛОГИИ

Вместе сильнее: золотые наночастицы и антибиотики эффективно уничтожают
бактерии даже в биопленках

Устойчивость к противомикробным препаратам (противогрибковым, противовирусным, противомалярийным и антибиотикам) в последнее время стала одной из серьезнейших угроз для здоровья людей. На 71-ой Генассамблее ООН в сентябре 2016 г. руководители стран мира продемонстрировали беспрецедентное внимание к этой проблеме и обязались предпринять масштабные и координированные действия для ее решения [1]. Это всего лишь четвертый случай обсуждения вопросов здравоохранения на таком высоком уровне (первые три – ВИЧ, неинфекционные заболевания и Эбола). Руководители стран также признали необходимость содействия разработке инновационных и альтернативных подходов. Во всем мире ученые пытаются найти новые решения. Недавно американские исследователи (Univ. of Arkansas) предложили использовать для борьбы с бактериями совместное действие золотых наночастиц и антибиотиков нового поколения [2]. Всем известно, что антибиотики долгое время были важнейшими средствами профилактики и лечения бактериальных инфекций. Однако в последние десятилетия резко выросло число случаев как внутрибольничных, так и внебольничных инфекций, вызванных бактериями, устойчивыми к этим препаратам. Прежде всего, это касается золотистого стафилококка Staphylococcus aureus. Постоянно ведется разработка новых антибиотиков, но бактерии быстро формируют устойчивые штаммы.

Рис. 1. Схема синтеза наноструктур:
i - in situ полимеризация допамина и образование AuNC@PDA;
 
ii - “загрузка” антибиотика даптомицина (синтез синтез AuNC@Dap/PDA);
iii
- присоединение антител (синтез AuNC@Dap/PDA-aSpa).

 

Авторы работы [2] синтезировали золотые нано-клетки (AuNC), покрытые полимерной оболочкой (PDA) с антибиотиком даптомицином (Dap) и антителами (aSpa) (рис. 1). Даптомицин, представитель нового класса антибиотиков, активен в отношении стафилококка S. Aureus, который исследователи выбрали для своих экспериментов как пример наиболее устойчивой и очень распространенной бактерии. Для того, что обеспечить целевую доставку к клеткам бактерии, добавили антитела белка А стафилококка S. Aureus (золотистый стафилококк использует этот белок для выживания в организмехозяина). TEM изображения наноструктур AuNC и AuNC@PDA приведены на рис. 2.

 

Рис. 2. TEM изображения AuNC (слева) и AuNC@PDA (справа).

Как хорошо известно, золотые наночастицы обладают уникальными оптическими свойствами, связанными с возбуждением локализованных поверхностных плазмонов под действием внешних электромагнитных волн. Тепловой эффект, возникающий при лазерном облучении, позволяет использовать наночастицы для фототермической терапии или уничтожения бактерий. ПерсТ недавно рассказывал о работе исследователей из Univ. of Houston (США), которые синтезировали структуру из пористых золотых нанодисков (NPGD), способную за секунды уничтожать патогенные бактерии при воздействии лазерного излучения [3]. Эти структуры можно, например, применять для дезинфекции загрязненных жидкостей.

Авторы [2] использовали диодный лазер, соответствующий современным нормам безопасности (длина волны 808 нм, мощность 0,75 Вт). Смеси суспензий бактерий и наноструктур на основе золота облучали 10 мин. Температура при этом повышалась до 50-55оС. Жизнеспособность бактерий оценивали сразу после лазерного воздействия (t=0) и через 24 ч инкубации с наночастицами (t=24 ч). Результаты показали, что при использовании AuNC@PDA при t=0 число живых бактерий равно нулю (точнее, ниже предела измерения), однако через 24 ч оно возвращается к контрольной величиине до лазерного воздействия (рис. 3, группа 5). Заметим, что облучение бактерий без AuNC не влияет на число живых бактерий, так же, как не влияют и золотые наночастицы без облучения (рис. 3, группы 2-4). Таким образом, одного фототермического эффекта оказалось недостаточно для эффективного уничтожения бактерий.

    Рис. 3. Число живых бактерий S. Aureus при t=0 (левые столбики)
    и при
t=24 ч (правые столбики):
    1 - контрольный образец;
    2 -
AuNC без лазерного воздействия;
    3 -
AuNC@PDA без лазерного воздействия;
    4 - лазерное облучение;
    5 -
AuNC@PDA + лазерное воздействие.

    Рис. 4. Уничтожение бактерий в модельной биопленке при разном
    воздействии (левые столбики соответствуют
t=0, правые - t=24 ч :
    1 - контрольный образец;
    2 - антибиотик допамин;
    3 -
AuNC@PDA + лазерное воздействие;
    4 -
AuNC@PDA-aSpa + лазерное воздействие;
    5 -
AuNC@Dap/PDA + лазерное воздействие;
    6 -
AuNC@Dap/PDA-aSpa + лазерное воздействие.

В последующих экспериментах авторы [2] применили лазерное воздействие на наноструктуры с антибиотиком допамином и выяснили, что в этом случае живые бактерии не появляются и через 24 ч инкубации. Благодаря нагреву расширяется полимерная оболочка AuNC, и выделяется антибиотик. Эффективность борьбы с бактериями возрастает благодаря синергетическому эффекту. В присутствии антибиотика без AuNC число живых бактерей при t=0 остается неизменным. Правда, через 24 ч число живых бактерий под действием доп-амина снизилось, но даже этому новому перспективному антибиотику оказалось не под силу уничтожить их в биопленке (рис. 4, группа 2). С этой задачей успешно справились наноструктуры AuNC@Dap/PDA-aSpa благодаря синергетическому действию наноструктур и антибиотика, а также целевой доставке с помощью антител (рис. 4, группа 6). Только этот вариант обеспечил полное уничтожение бактерий как при t=0, так и при t=24 ч. Это очень важный результат. До 80% всех бактериальных инфекций связано с образованием биопленок, микробных сообществ, в которых бактерии имеют повышенную выживаемость и значительно более высокую устойчивость к антибиотикам. Биопленочными инфекциями обусловлены многие заболевания дыхательной системы, патология зубов и околозубных тканей, остеомиелит, инфекции мочевыводящих путей. Стафилококковые биопленки, в основном S. Aureus, развиваются на поверхности протезов, катетеров, имплантатов (например, коленных и тазобедренных суставов). В целом действие механизма уничтожения бактерий можно схематически представить следующим образом (рис. 5):

Рис. 5. Фотоактивация наноструктур, приводящая к синергетическому уничтожению бактерий с помощью
антибиотиков и фототермического эффекта. Антитела белка А S. Aureus обеспечивают целевую доставку.

 

В планах авторов оценить и оптимизировать новый подход для условий in vivo, а также распространить его на другие бактерии. Одно из перспективных применений – при травмах или хирургических операциях, когда нужна обработка открытой раны.

О.Алексеева

1. Новости ВОЗ. 21.09.2016; http://www.who.int/mediacentre/news/releases/2016/commitment-antimicrobial-resistance/ru/

2. D.G.Meeker et al., ACS Infect. Dis. 2, 241 (2016).

3.  ПерсТ 23, вып. 9/10, с.3 (2016).

конференции

Научная сессия ОФН РАН
“К 100-летию со дня рождения Виталия Лазаревича Гинзбурга”, 5 октября 2016 г.

(14-00, конференц-зал Физического института им. П.Н. Лебедева РАН,
 Ленинский просп. 53, Главное здание, 3-й этаж)

 

04.10.1916-08.11.2009 

 

Программа

1.      Член-корреспондент РАН В.И. Ритус -“В.Л. Гинзбург и Атомный Проект”

2.      Д.ф.-м.н. И.М. Дремин (ФИАН) -“Неожиданные свойства взаимодействия протонов при высоких энергиях”

3.      Член-корреспондент РАН Вл.В. Кочаровский, академик В.В. Железняков, профессор А.А. Белянин (Texas A&M University),
      к.ф.-м.н. Е.Р. Кочаровская, д.ф.-м.н. В.В. Кочаровский (ИПФ РАН) - “Явление сверхизлучения: физическое происхождение и реализация в лазерах”

4.      Д.ф.-м.н. В.М. Пудалов (ФИАН)  - “О структуре параметра порядка в высокотемпературных сверхпроводниках на основе железа”

5.      Академик РАН М.В. Садовский - “Высокотемпературная сверхпроводимость в монослое FeSe: почему Тс столь высока?”

Сайт: http://www.gpad.ac.ru/prog/sessions/session16_10_05.htm

XVIII Всероссийская молодежная конференция по физике полупроводников и наноструктур,
полупроводниковой опто- и наноэлектронике, с 28 ноября по 2 декабря 2016 г., Санкт-Петербург, Россия

Восемнадцатая конференция для молодых ученых посвящена таким активно развивающимся направлениям физики твердого тела и электроники, как физика полупроводников и наноструктур, полупроводниковые нанотехнологии, опто- и наноэлектроника. Конференция является одновременно конкурсом работ и докладов. За лучшие доклады присуждаются денежные премии (в 2015 г. присуждено 11 премий студентам и аспирантам).

Конференция обеспечивает ВОЗМОЖНОСТЬ всем участникам опубликовать статьи (расширенные тезисы) на английском языке в журнале Journal of Physics: Conference Series, издаваемом в Великобритании издательством IOP Publishing. Эти публикации включаются в базы данных Scopus и Web of Science.

Тематика:

§       Объемные свойства полупроводников

§       Процессы роста, поверхность, границы раздела

§       Гетероструктуры, сверхрешетки, квантовые ямы

§       Квантовые точки, квантовые нити и другие
     низкоразмерные системы

§       Приборы опто- и наноэлектроники

§       Новые материалы

Основные даты:

Срок представления тезисов на русском языке (1 стр.) - до 12 октября 2016

 

Е-mail: conference@semicond.spbstu.ru

Сайт: www.semicond.spbstu.ru/conf2016

 

_________________________________

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.u..


Главный редактор И.Чугуева  ichugueva@yandex.ru тел: (499) 995 16 21

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

 О. Алексеева, М. Маслов, Л. Опенов, А.Пятаков

Выпускающий редактор: И.Фурлетова