Основные достижения (публикации) сотрудников
Института проблем технологии микроэлектроники и особочистых материалов РАН

Научные исследования в ИПТМ РАН соответствуют направлению фундаментальных и поисковых научных исследований 2.6.1. «Наноматериалы» в рамках направления 2.6 «Нанотехнологии» Программы ФНИ РФ на 2021-2030 гг. и определяются долгосрочными задачами Программы по получению новых материалов для наноэлектроники и радиофотоники, наноструктурированию и созданию перспективных устройств электронной компонентной базы, изучению наноматериалов, что обеспечит создание перспективной элементной базы микро- и наноэлектроники на основе кремния, полупроводниковых гетероструктур, пьезоэлектриков, сверхпроводящих материалов, одномерных и двумерных кристаллов, метаматериалов.

Представленные работы ИПТМ РАН 2023 года посвящены исследованиям и разработкам в таких областях, как рентгеновская томография, спектроскопия и эллипсометрия в электропроводящих средах, создание сверхпроводящего квантового интерферометра на основе нанопроволок висмута, рамановская спектроскопия и создание алгоритмов обработки спектров комбинационного рассеяния, рост тонкоплёночных структур, получение и исследование свойств графена и графеноподобных структур, создание фотомемристоров на основе графеновых структур, синтез тугоплавких оксидных материалов.

Спектральная томография.

Впервые была экспериментально протестирована новая рентгенооптическая схема спектральной томографии. Разработаны методики обработки полученных экспериментальных данных: коррекция проективных искажений проекционных изображений и кластеризация восстановленных трёхмерных изображений с помощью анализа данных в пространстве коэффициентов ослабления. Проведено сравнение с другими используемыми схемами. Показано, что при значительном уменьшении времени эксперимента (а следовательно и дозовой нагрузки на образец), качество результатов получается на уровне использования метода спектральной томографии с несколькими последовательными «классическими» томографическими экспериментами.
За счёт использования дополнительных спектральных условий становится возможным проведение более качественной и количественной интерпретации полученных результатов. Такой подход позволяет более точно определить пространственное положение материалов, составляющих образец.
Предлагаемая новая экспериментальная схема не требует значительных и дорогих модификаций существующих томографических установок. Практически любой лабораторный томограф может быть дооснащён кристаллом-анализатором для получения дополнительной информации об объекте исследования. При использовании данной схемы на источниках синхротронного излучения возможно одновременное получение 3-х и более отражений от кристалла-анализатора, что позволит значительно расширить чувствительность предлагаемой схемы спектральной томографии.

Исследование роста нанопроволок Bi и электронного транспорта в структурах на их основе.

Впервые изготовлен асимметричный СКВИД на основе нанокольца Bi. В данном СКВИДе впервые наблюдалось ток-фазовое соотношение, соответствующее «длинному» (длина слабой связи больше длины когерентности) баллистическому переходу. Впервые получены распределения событий переключения кольца из сверхпроводящего в нормальное состояние в зависимости от тока и магнитного поля. Пилообразный характер распределения при низкой частоте развертки по току (17 Гц) свидетельствует об уникально большом времени релаксации носителей заряда порядка десятков миллисекунд. Полученное в работе 2 уникально большое время релаксации демонстрирует возможность создания кубитов на основе висмутовых нанопроволок между сверхпроводящими контактами. Second-order topological insulators are characterized by helical, non-spin-degenerate one-dimensional states running along opposite crystal hinges with no backscattering. Injecting superconducting pairs therefore entails splitting Cooper pairs into two families of helical Andreev states of opposite helicity, one at each hinge. Here we provide evidence for such separation via the measurement and analysis of the switching supercurrent statistics of a crystalline nanoring of bismuth. Using a phenomenological model of two helical Andreev hinge modes, we find that pairs relax at a rate comparable to individual quasiparticles, in contrast to the much faster pair relaxation of non-topological systems. This constitutes a unique telltale sign of the spatial separation of topological helical hinges.

Впервые показано, что предварительно осажденные на подложку островковые металлические пленки Fe, V, Re оказывают влияние на количество и диаметр растущих нанопроволок Bi даже при средневзвешенной толщине островковых плёнок менее 0.2 нм. Обнаружено, что наиболее сильное влияние на рост нанопроволок висмута оказывает островковая плёнка Fe. Впервые установлены причины этого влияния: островки железа при последующем осаждении пленки висмута, увеличивают её сплошность на более ранних стадиях в сравнении с исходной подложкой. Кроме того, они способствуют формированию зёрен Bi с кристаллографической ориентацией [110]R, благоприятной для роста нанопроволок, и образованию центров зарождения и последующего роста НП Bi. Используя представленную в работе методику, на пленках висмута толщиной 27 нм были получены нанопроволоки Bi длиной около 15 мкм и диаметром менее 100 нм. Нанопроволоки Bi малого диаметра интересны с точки зрения исследования квантовых размерных эффектов в висмуте. In this work we present the results of studying the growth of bismuth nanowires (Bi NWs) on oxidized silicon substrates with predeposited islanded films of different metals (V, Re, Fe). We show that during the subsequent deposition of bismuth by radio frequency diode sputtering on such substrates Bi NWs grow longer and in a larger quantity than on bare substrates. Fe nanoparticles underlayer exerts the strongest influence on the growth of bismuth nanowires. Iron islands stimulate the formation of a continuous bismuth film deposited onto them at earlier stages in comparison with the clean oxidized silicon surface. In addition, they promote the earlier appearance of the [110]R (rhombohedral system) texture, which is favorable for the formation of centers of nucleation and subsequent growth of Bi NWs. Using this technique, Bi NWs with a length of about 15 µm and a diameter of less than 100 nm were obtained on 27 nm thick bismuth films.

Рамановская спектроскопия. Обработка экспериментальных данных.

Сигнал в экспериментальных КР спектрах содержит три основные компоненты: колебательные (фононные) пики, широкополосный фон и шум. В общем случае три компоненты имеют различную природу. При соотнесении измерений с физической или аналитической моделью чаще всего важны параметры пиков, а для их надёжной оценки необходимо разделение трёх компонент сигнала. Стартовой точкой для предложенных в работе алгоритмов была регуляризация Тихонова. Но непосредственное применение регуляризации Тихонова к реальным спектрам сталкивается с проблемой: под пиками результирующая базовая линия существенно искажается и показывает сильную зависимость от лямбды. В данной работе применена асимметричная регуляризация с экранированием пиков. Предложенные новые математические идеи позволили успешно решить поставленные задачи. Baseline estimation in vibrational spectroscopy can be done efficiently with Tikhonov regularization. The state-of-the-art approaches, based on asymmetric weighting, require an additional parameter. Besides λ, the penalty for the second derivative, they introduce the asymmetry parameter p that sets different weights for the points above and below the baseline. To choose the parameters “once and for all” is not possible, because they always depend on the noise level and baseline flexibility. Currently, the common practice is to choose these two parameters visually, without any well-defined criteria. The present work shows how such criteria can be constructed in a form of a specific functional. This formulation makes it possible to optimize the regularization parameters for the given spectrum. The Python code is provided for the derivative-and-peak-screened ALS algorithm.

Предложена методика обработки зашумлённых спектральных данных, позволяющая реализовать математически обоснованную селекцию острых пиков сигнала на неизвестном гладком фоне, для которого отсутствует достоверная теоретическая модель. Основная идея методики состоит в построении оптимизирующего функционала, дающего наиболее вероятные параметры спектральных линий. В отличие от метода регуляризации Тихонова, где из зашумлённого сигнала выделяется гладкая неизвестная функция, в нашем случае рассматривается задача регуляризации суперпозиции гладкой функции фона с острыми пиками. Предлагаемый подход даёт алгоритм обработки экспериментальных данных, позволяющий отфильтровывать случайный шум и определять как параметры пиков, так и функцию фона с хорошей точностью. Нахождение оптимальных параметров регуляризации основано на априорных предположениях о гладкости функции фона и статистических свойствах случайного шума.

Спектроскопия. Супераномальный скин – эффект.

Спектроскопия и эллипсометрия — эффективные инструменты для изучения различных материалов, но интерпретация экспериментальных результатов требует детального знания того, как возбуждения в них связаны с электромагнитными волнами. В электропроводящих средах точное описание распространения электромагнитных волн бывает затруднено из-за нелокальных взаимодействий света и вещества. Как было показано ранее, эта нелокальность порождает аномальные (ASE) и супераномальные (SASE) скин-эффекты. Как известно, ASE тесно связан с повышенным поглощением электромагнитного поля в радиочастотной области. Наша работа демонстрирует, что затухание Ландау, лежащее в основе SASE, приводит к дополнительному пику поглощения в диапозоне оптических частот. В отличие от ASE, SASE подавляет только перпендикулярную поверхности компоненту поля, что изменяет поляризационную зависимость спектра поглощения. Механизм подавления является универсальным и может наблюдаться как в металлах, так и в плазме. Мы показываем, что описание SASE требует рассмотрения кинетических свойств электронов и не может быть описано с помощью обычных гидродинамических моделей для нелокальной диэлектрической проницаемости.

Металлические структуры. Тонкие плёнки.

Широкое применение, в том числе в микроэлектронике, пленок и тонкопленочных структур определяют неугасающий интерес к изучению разнообразных процессов для их получения. Начальные стадии роста пленок во многом определяют дальнейшие свойства этих пленок, как структурные, так и физические. В данной работе мы сосредоточились на исследовании начальных стадий роста металлических пленок при импульсном лазерном напылении. Работа посвящена контролируемому получению на поверхности монокристаллического сапфира предперколляционных островковых пленок Fe с заданными структурными параметрами (размер островков, их высота и т.д.). Эти пленки необходимы, в том числе, в качестве основы для дальнейшего получения метаматериалов с уникальными свойствами. Обращено внимание на необходимость учета кинетических процессов, как непосредственно в процессе осаждения пленок, так и на последующих этапах, после остановки процесса напыления. Учет этих процессов является достаточно важным, поскольку их характерные времена их близки к временам, характеризующим процесс импульсного напыления, а именно длительности импульсов потока атомов и их скважности. В ходе работ были получены образцы предперколляционных островковых пленок Fe с заданными параметрами. Была разработана система контроля In Situ проводимости выращиваемой при высокой температуре пленок Fe, что позволило точно определять начало перколляционного перехода, размер островков и понять влияние частоты и скважности импульсов лазера на морфологию пленки. Полученные результаты отличаются от известных и объясняются конкуренцией скважности импульсов и временем встраивания осаждаемых атомов в растущий островок на подложке.

Широкое применение, в том числе в микроэлектронике, пленок и тонкопленочных структур определяют неугасающий интерес к изучению разнообразных процессов для их получения. Начальные стадии роста пленок во многом определяют дальнейшие свойства этих пленок, как структурные, так и физические. В данной работе мы сосредоточились на исследовании начальных стадий роста металлических пленок при импульсном лазерном напылении. Рассмотрены вопросы получения атомарно гладких металлических пленок Мо с толщиной порядка единиц нанометров и проявления механизма Странского-Крастанова в интервале толщин 1-1,6 нм при остановке процесса напыления. Обращено внимание на необходимость учета кинетических процессов, как непосредственно в процессе осаждения пленок, так и на последующих этапах, после остановки процесса напыления. Учет этих процессов является достаточно важным, поскольку их характерные времена их близки к временам, характеризующим процесс импульсного напыления, а именно длительности импульсов потока атомов и их скважности. Выращены сверхтонкие эпитаксиальные пленки Mo, устойчивые к окислению на воздухе в течение длительного времени, обладающие хорошей электропроводностью, малой дефектностью и шероховатостью. Впервые для металлических пленок обнаружен механизм образования островков типа Странского-Крастанова, наблюдаемый в узком интервале толщин 1-1.6 нм после прерывания процесса осаждения. Вне этого интервала происходит двумерный рост, и островки не обнаруживаются. Фактически полученные экспериментальные данные свидетельствуют о проявлении нового механизма формирования пленок

Энергонезависимая память. Фотомемристоры.

Conventional artificial intelligence (AI) machine vision technology, based on the von Neumann architecture, uses separate sensing, computing, and storage units to process huge amounts of vision data generated in sensory terminals. The frequent movement of redundant data between sensors, processors and memory, however, results in high-power consumption and latency. A more efficient approach is to offload some of the memory and computational tasks to sensor elements that can perceive and process the optical signal simultaneously. Here, we proposed a non-volatile photomemristor, in which the reconfigurable responsivity can be modulated by the charge and/or photon flux through it and further stored in the device. The non-volatile photomemristor has a simple two-terminal architecture, in which photoexcited carriers and oxygen-related ions are coupled, leading to a displaced and pinched hysteresis in the current-voltage characteristics. For the first time, non-volatile photomemristors implement computationally complete logic with photoresponse-stateful operations, for which the same photomemristor serves as both a logic gate and memory, using photoresponse as a physical state variable instead of light, voltage and memresistance. The polarity reversal of photomemristors shows great potential for in-memory sensing and computing with feature extraction and image recognition for neuromorphic vision.

Memristors, resistive switching memory devices, play a crucial role in the energy-efficient implementation of artificial intelligence. This study investigates resistive switching behavior in a lateral 2D composite structure composed of bilayer graphene and 2D diamond (diamane) nanostructures formed using electron beam irradiation. The resulting bigraphene/diamane structure exhibits nonlinear charge carrier transport behavior and a significant increase in resistance. It is shown that the resistive switching of the nanostructure is well controlled using bias voltage. The impact of an electrical field on the bonding of diamane-stabilizing functional groups is investigated. By subjecting the lateral bigraphene/diamane/bigraphene nanostructure to a sufficiently strong electric field, the migration of hydrogen ions and/or oxygen-related groups located on one or both sides of the nanostructure can occur. This process leads to the disruption of sp3 carbon bonds, restoring the high conductivity of bigraphene.

Графен.

We use phenomenological modelling and detailed experimental studies of charge carrier transport to investigate the dependence of the electrical resistivity, ρ, on gate voltage, Vg, for a series of monolayer graphene field effect transistors with mobilities, μ, ranging between 5000 and 250 000 cm2 V−1 s−1 at low-temperature. Our measurements over a wide range of temperatures from 4 to 400 K can be fitted by the universal relation $\mu =4/e\delta {n}_{\max }$ for all devices, where ${\rho }_{\max }$ is the resistivity maximum at the neutrality point and δn is an 'uncertainty' in the bipolar carrier density, given by the full width at half maximum of the resistivity peak expressed in terms of carrier density, n. This relation is consistent with thermal broadening of the carrier distribution and the presence of the disordered potential landscape consisting of so-called electron–hole puddles near the Dirac point. To demonstrate its utility, we combine this relation with temperature-dependent linearised Boltzmann transport calculations that include the effect of optical phonon scattering. This approach demonstrates the similarity in the temperature-dependent behaviour of carriers in different types of single layer graphene transistors with widely differing carrier mobilities. It can also account for the relative stability, over a wide temperature range, of the measured carrier mobility of each device.

Results from studying the effect of an applied electric voltage on the Raman spectrum of graphene deposited on a lithium niobate crystal substrate with a ferroelectric domain structure are presented. The use of the principal component method for data processing in combination with correlation analysis made it possible to reveal the contribution to the change in the spectra associated with the linear deformation of the substrate due to the inverse piezoelectric effect. An effect of the graphene coating peeling was found. Furthermore, bending deformations of the graphene coating associated with the presence of a relief on the substrate were found. An analysis of the change in the spectra of graphene under the application of an electric voltage made it possible to determine the height of this relief.

The possibility of chemical modification of a graphene oxide film deposited on a Si/SiO2 substrate during a one-stage hydrothermal process in the presence of fluorine ions and reducing agents, such as ascorbic acid or hydrazine, is shown. The proposed technique makes it possible to obtain reduced fluorinated graphene nitride oxide (RGOFN) in the form of a thin film with a controlled composition of functional groups by changing the type and concentration of the reducing agent and then transferring the obtained films to any substrate. XPS and IR spectroscopy of the obtained films revealed controlled changes in the structure and composition of graphene oxide associated with the removal of oxygen groups and the incorporation of fluorine ions as well as the reduction of conjugated double bonds and the controlled incorporation of nitrogen into thin RGOFN films. The current–voltage characteristics of the fabricated RGOFN structures showed that their electrical properties are well controlled by doping with nitrogen during the proposed one-stage process.

Currently, the miniaturization of portable and autonomous devices is challenging for modern electronics. Graphene-based materials have recently emerged as one of the ideal candidates for supercapacitor electrodes, while Si is a common platform for direct component-on-chip integration. We have proposed the direct liquid-based CVD of N-doped graphene-like films (N-GLFs) on Si as a promising way to achieve solid-state on-chip micro-capacitor performance. Synthesis temperatures in the range from 800 °C to 1000 °C are investigated. Capacitances and electrochemical stability of the films are evaluated using cyclic voltammetry, as well as galvanostatic measurements and electrochemical impedance spectroscopy in 0.5 M Na2SO4. We have shown that N-doping is an efficient way to improve the N-GLF capacitance. 900 °C is the optimal temperature for the N-GLF synthesis with the best electrochemical properties. The capacitance rises with increasing film thickness which also has an optimum (about 50 nm). The transfer-free acetonitrile-based CVD on Si yields a perfect material for microcapacitor electrodes. Our best value of the area-normalized capacitance (960 mF/cm2) exceeds the world’s achievements among thin graphene-based films. The main advantages of the proposed approach are the direct on-chip performance of the energy storage component and high cyclic stability.

Insights into the fundamental properties of graphene’s Dirac-Weyl fermions have emerged from studies of electron tunnelling transistors in which an atomically thin layer of hexagonal boron nitride (hBN) is sandwiched between two layers of high purity graphene. Here, we show that when a single defect is present within the hBN tunnel barrier, it can inject electrons into the graphene layers and its sharply defined energy level acts as a high resolution spectroscopic probe of electron-electron interactions in graphene. We report a magnetic field dependent suppression of the tunnel current flowing through a single defect below temperatures of ~2 K. This is attributed to the formation of a magnetically-induced Coulomb gap in the spectral density of electrons tunnelling into graphene due to electron-electron interactions.

Рост кристаллов.

The ordered Ca3TaGa3Si2O14 and disordered La3Ga5SiO14 crystals of the lantangallium silicate family were grown via the Czochralski method. The independent coefficients of thermal expansion of crystals 𝛼𝑐 and 𝛼𝑎 were determined using X-ray powder diffraction based on the analysis of X-ray diffraction spectra measured in the temperature range of 25~1000 °C. It is shown that, in the temperature range of 25~800 °C, the thermal expansion coefficients are linear. At temperatures above 800 °C, there is a nonlinear character of the thermal expansion coefficients, associated with a decrease in the Ga content in the crystal lattice.

Публикации в 2023 г. в журналах с высоким импакт-фактором сотрудников
Института структурной макрокинетики и проблем материаловедения им. А.Г. Мержанова РАН

1. Miloserdov, Pavel A. Metallothermic SHS of Al2O3–Cr2O3 + TiC ceramic composite material / Pavel A. Miloserdov, Vladimir A. Gorshkov, Dmitrii E. Andreev, Vladimir I. Yukhvid, Olga M. Miloserdova, Olga A. Golosova. // Ceramics International. ―2023. ―V. 49. ― Iss. 12. ― P. 2471-2476.

Основные достижения (публикации) сотрудников
Института теоретической физики им. Л.Д. Ландау РАН

Физика конденсированного состояния.

Исследован тепловой транспорт в квазиодномерных сверхпроводящих системах класса D (нарушены симметрии по отношению к обращению времени и поворота спина) при наличии дисбаланса мод, распространяющихся в противоположных направлениях. Разница в количестве «левых» и «правых» мод является топологически защищенной величиной и может быть ненулевой на границе двух двумерных топологических сверхпроводников с разными значениями топологического индекса. Для случая большого числа каналов при произвольной длине провода получены точные выражения для среднего по беспорядку кондактанса, его дисперсии и третьего момента. Также вычислена мощность дробового шума, среднее и дисперсия топологического индекса. С математической точки зрения, впервые построен радиальный базис лапласиана на супермногообразии сигма-модели старшего ранга в присутствии вектор-потенциала, связанного с топологическим членом Весса-Зумино-Виттена, что является важным вкладом в Фурье-анализ на суперсимметрических пространствах

Использование диссипации для контролируемого создания нетривиальных квантовых коррелированных состояний представляет большой фундаментальный и практический интерес. Какое стационарное состояния получается в результате диссипативной динамики, сохраняющей число частиц? Этот вопрос был исследован для модели двухзонной системы с диссипативной динамикой, сохраняющей полное число частиц. Выходя за рамки приближения среднего поля, в лестничном приближении, было продемонстрировано возникновение режима для распространения флуктуаций плотности частиц и дырок, которые могут возбуждаться внешним полем только в результате нелинейного отклика. Найден соответствующий коэффициент диффузии. Также идентифицированы процессы, которые ограничивают диффузионное поведение на самых длинных временных масштабах. Показано, что эти процессы приводят к динамике реакции-диффузии, определяемой уравнением Фишера-Колмогорова-Петровского-Пискунова, что делает темное состояние с полностью незаполненной верхней зоной нестабильным по отношению к состоянию с конечной плотностью частиц и дырок.

Предложен метод, позволяющий увеличить время времени хранения ультрахолодных нейтронов (УХН) и точность измерения его времени b-распада. Покрытие стенок материальной ловушки УХН жидким гелием может сильно снизить потери УХН, поскольку 4Не совсем не поглощает нейтроны. Сверхтекучий гелий покрывает плоские стенки пленкой толщиной ∼10 нм из-за притяжения Ван-дер-Ваальса, но эта пленка слишком тонкая, чтобы защитить УХН от их поглощения материалом ловушки. Комбинируя притяжение Ван-дер-Ваальса с капиллярными эффектами, мы недавно показали, что шероховатость поверхности ловушки УХН может увеличить толщину пленки гелия намного больше глубины ~ 33 нм проникновения нейтронов в гелий. Треугольная гофрировка эффективнее для уменьшения скорости потерь УХН, чем прямоугольная, и легче реализуема технически. В новой работе предлагается использовать электрическое напряжение, приложенное к шероховатым стенкам ловушки УХН, покрытых жидким гелием, для увеличения толщины жидкого гелия на выступах и дополнительной защиты УХН от поглощения в стенках ловушки. Проведенные оценки необходимой интенсивности электрического поля показывают, что оно реализуемо. Изучается возможность влияния электрического поля на закон дисперсии поверхностных волн, приводящих к потерям УХН в ловушке из-за их неупругого рассеяния на риплонах.

Вычислительная физика.

Разработана методика конечномерного анализа для анализа фазовых переходов второго рода с применением методов искусственного интеллекта. Изучена проблема обучения нейронной сети для исследования ферромагнитных фазовых переходов. Обнаружено, что дисперсия выходной функции нейронной сети (VOF) как функция температуры имеет пик в критической области, ширина которого зависит от размера системы, что позволяет определить показатель корреляционной длины. Результат проверен для шести различных нейронных сетей и пяти физических моделей и является универсальным.

Квантовая теория поля.

В рамках исследований компактификаций теории суперструн продолжено изучение трехмерных комплексных многообразий Калаби-Яу (CY) и их связи с суперконформными минимальными моделями. Для этого была рассмотрена связь между двумя особенностями, заданными в одном и том же квазиоднородном пространстве. Получено простое доказательство бирациональной эквивалентности кратных зеркал BHC, а также сформулирована гипотеза о связи между самими CY-орбифолдами, кратные зеркала которых бирационально эквивалентны. Построены примеры такой связи для случая, когда два CY-многообразия типа «Цепочка» и «Петля» оказываются в одном и том же взвешенном проективном пространстве.

Релятивистская астрофизика и космология и физика высоких энергий.

Построена наиболее общая форма нелокальной теории гравитации без духовых состояний, аналитической по кривизне и ее производным всех порядков при их нулевых значениях. Она содержит инфляционную R + R2 модель (модель Старобинского) в локальной f(R) модифицированной гравитации, где R - скалярная кривизна, в качестве своего частного решения для плоской изотропной модели Фридмана. Исследована динамика неоднородных возмущений метрики Фридмана на инфляционной стадии в этой теории, которые содержат массивную скалярную (скалярон) и безмассовую тензорную (гравитон) моды. Показано, что наклон спектра мощности скалярных возмущений ns, генерированных на инфляционной стадии, такой же, как и в локальной модели Старобинского, в то время как соответствующий индекс для тензорных возмущений nt является свободным параметром и может быть как положительным, так и отрицательным. При этом нарушается соотношение r = 8nt, где r - отношение мощностей спектров тензорных и скалярных возмущений, которое верно для всех инфляционных моделей в локальной (хотя бы и модифицированной) гравитации. Рассчитан би-спектр (трехточечная корреляционная функция) скалярных возмущений, который оказывается не гауссовым. Показано, что нетривиальным предсказанием нелокальных моделей такого типа, которое отличает их от инфляционных моделей с одним или многими инфлатонами в локальных теориях гравитации в рамках эффективной теории поля, является возможность иметь величину бега по меньшей мере на порядок больше. Доказано, что в такой теории, в отличие от локальной инфляционной модели Старобинского, возникает новый эффект распада массивного скалярона на два безмассовых гравитона после конца инфляционной стадии и рассчитана скорость этого распада. Однако он не приводит к перепроизводству гравитонов по сравнению с известными элементарными частицами.

Развит новый подход к поискам аксионов, как широко обсуждаемых кандидатов на темную материю во Вселенной, по вращению спина заряженных частиц в накопителях. Предложено детектировать резонансное вращение спина инжектированных в накопитель вертикально поляризованых частиц в осциллирующую в плоскости кольца ускорителя горизонтальную поляризацию. Указано, что вращение спина в псевдомагнитном поле галактических аксионов, действующем на релятивистские частицы в накопителе, на два порядка превышает вращение спина за счет генерируемого аксионами осциллирующего электрического дипольного момента (ЭДМ) частиц. Главные преимущества нового метода: сигнал аксионов не зависит от неизвестной фазы аксионного поля; метод применим не только к дейтронам, но и протонам с коротким временем когеренции горизонтальной поляризации; реализация метода не требует специализированного радиочастотного ротатора поляризации пучка. Указано также, как дополнение накопительных колец двумя байпассами, работающими в режиме статического фильтра Вина, придаст коллайдеру NICA в ОИЯИ, Дубна новую функцию широкополосного детектора галактического аксионного поля. Полоса чувствительности к массе аксиона на комплексе NICA с байпассом может быть расширена на два порядка по сравнению с достигнутой в первом ускорительном поиске аксионов на накопителе COSY в г. Юлихе, Германия (анализ полученных в этом эксперименте с участием Н.Н. Николаева результатов в существенной степени использует результаты нашей работы [1]). Новая роль байпаса как аксионной антенны, в дополнение к предложенному ранее поиску ЭДМ протонов и дейтронов, существенно повышает потенциал комплекса NICA как уникальной площадки для прецизионных тестов фундаментальных симметрий в физике частиц.

Для случая двух легких ароматов предложено струнное описание системы, состоящей из двух тяжелых и трех легких кварков, с целью изучения кварковой организации внутри системы и ее низколежащих потенциалов Борна-Оппенгеймера в зависимости от тяжелого разделение кварков. Проведенный анализ выявил несколько критических различий, связанных с процессами пересоединения, разрыва и аннигиляции соединения струн. Обнаружено, что компактная пентакварковая конфигурация вносит доминирующий вклад в потенциал первого возбужденного состояния при малых расстояниях, а при расстояниях более 0,1 Фм возникает структура антикварк-дикварк-дикварк. Более того, оказывается, что масштаб аннигиляции струнного соединения такой же, как и для системы QQ¯q¯q. Также обсуждается связь с потенциалом системы QQq и некоторые соотношения между массами адронов в пределе тяжелых кварков.

Для системы Q ̄Qqqq проведен анализ струнных конфигураций и потенциалов Борна-Оппенгеймера. Показано, что потенциал основного состояния описывается в терминах адро-кваркония и адронных молекул. Получены оценки критических расстояний между тяжелыми кварками, связанные с процессами пересоединения, разрыва и аннигиляции струн. Кроме того, рассмотрены обобщенные барионные вершины (для более трех струн) и исследовано их значение для пентакварковых систем.

Динамика взаимодействия ультракоротких импульсов лазерного излучения с веществом.

Лазерное наноструктурирование кремниевых интерфейсов представляет собой уникальную процедуру для передовых технологий. Развита новая техника численного моделирования для таких задач для тиснения с помощью сильно сфокусированных ультракоротких лазерных импульсов гауссовой формы вблизи порога абляции в жидкости.

Распространение волновых фронтов в турбулентных средах.

Построен формализм, позволяющий исследовать распространение излучения в турбулентной среде. Он воспроизводит классические результаты, опирающиеся на представление о фронте излучения, как о случайном гауссовом поле и позволяет выйти за рамки этого приближения. В результате впервые определена вероятность аномально больших интенсивностей излучения и показано, что она существенно больше ранее использовавшихся гауссовых оценок.

Теория турбулентности и статистическая гидродинамика.

Выполнена серия работ по определению, аналитическому и численному, корреляционных функций основных физических величин в двумерном турбулентном состоянии в присутствии сильного сдвигового течения. Наличие нелинейного взаимодействия флуктуаций приводит к ненулевым значениям величин типа среднего от куба завихренности и определяет критерии применимости квазилинейного приближения.

Экспериментально исследована генерация вихревого течения в несжимаемой жидкости внутри быстро вращающегося закрытого аквариума кубической формы. Возбуждение течения осуществлялось путем возбуждения коротких инерционных волн вблизи боковых ребер куба. В объеме жидкости наблюдались долгоживущие столбовые вихри-циклоны, простирающиеся от дна до крышки куба. Их время существования значительно превышало время вязкого затухания за счет трения о дно и крышку, поддержание их существования происходило за счёт поглощения ими инерционных волн. Мы наблюдали два режима турбулентного квази-двумерного течения. При относительно малых скоростях вращения куба циклоны быстро поглощают инерционные волны, поглощение происходит в теле вихря. При относительно быстрых скоростях вращения инерционные волны поглощаются медленнее, область поглощения сужается до сердцевин циклонов. В этих двух режимах исследованы радиальные профили средней по времени скорости в циклонах. Показано, что циклоны в этих режимах отличаются размерами и распределением завихренности по радиусу. Изучение взаимодействия квази-двумерного течения и инерционных волн является важным вопросом современной гидродинамики, мы сделали в этом направлении существенный шаг.

Наиболее значимые результаты, отражённые в публикациях сотрудников
Института физики твёрдого тела им. Ю.А. Осипьяна РАН

Технические науки.
2.5.1. Энергетика и рациональное природопользование.
2.5.1.5. Междисциплинарные проблемы атомной, термоядерной, водородной, космической и нетрадиционной энергетики.

Разработка технологии плазменного напыления силицидных покрытий для защиты сплавов циркония от окисления.
В рамках фундаментальных поисковых работ в направлении создания устойчивого к авариям ядерного топлива была разработана лабораторная (масштабируемая) технология нанесения силицидных покрытий на сплавы циркония. В результате этой работы впервые на сплав на основе циркония (Э110) было успешно нанесено покрытие из силицидов молибдена методом атмосферного плазменного напыления. Покрытия на основе двойной эвтектики Mo5Si3 + MoSi2 наносили на поверхность листов сплава Э110. Исследованы особенности структуры и фазового состава покрытий после нанесения, их эволюция в результате изотермических отжигов при температуре 1300°C. Исследована кинетика диффузионного взаимодействия покрытия и материала-основы. Экспериментально продемонстрирована возможность успешной защиты сплава циркония от окисления при 1100°C на воздухе с помощью всесторонне нанесенного покрытия из силицидов молибдена. Эффективность защиты от окисления данным покрытием материала-основы подтверждена испытаниями на жаростойкость.

Физические науки.
1.3.2.5. Физика нано- и гетероструктур, мезоскопика.

Разработка новых физических принципов для построения терагерцовых фазовращателей.
Терагерцовый частотный диапазон (100 ГГц - 3 ТГц) остаётся одним из наименее освоенных диапазонов в шкале электромагнитного спектра и при этом этот диапазон частот обладает рядом отличительных свойств, делающих его освоение критически важным для целого ряда секторов гражданской и военной промышленности. Среди важнейших приложений субтерагерцовой электроники следует отметить создание фазированной антенной решетки (ФАР), в которой направление излучения можно быстро изменять с помощью приложенного напряжения. ФАРы сантиметрового диапазона длин волн сегодня широко применяются в радиолокации, наземно-космической связи, передовых системах спутникового интернета, в дистанционном зондировании земли и в радиовидении для систем безопасности. Более высокочастотные субтерагерцовыеФАРы также начинают находить различные гражданские и военные применения, например, возможности использования ФАР миллиметрового диапазона востребованы в беспроводных системах связи нового поколения 6G. Субтерагерцовый диапазон обеспечивает сегодня на порядок-два более высокое пространственное разрешение и скорость передачи данных радарам и системам наземно-космической связи.
В ИФТТ РАН был разработан и исследован новых механизм для построения компактных полупроводниковых фазовращателей. В этих системах используется релятивистский плазмонный эффект, который реализуется в двумерных электронных системах с высокой проводимостью. При этом используется важное свойство полупроводников – возможность перестраивать параметры системы, например, фазу прошедшего излучения, с помощью подачи напряжения на затвор микроструктуры. Важнейшим достоинством разработанной технологии является то, что он реализован на базе GaAs полупроводниковой технологии. Это позволяет легко масштабировать количество фазовращательных элементов на полупроводниковой пластине, создавая массивы любого размера. Такой подход особенно привлекателен для создания фазированных антенных решёток нового поколения.

Физические науки.
1.3.2.10. Физическое материаловедение и физика дефектов.

Новый метод нанесения газоплотных защитных SiC покрытий.
Разработан новый метод нанесения газоплотных защитных покрытий из карбида кремния, основанный на прямом взаимодействии углерода, образующегося при высокотемпературном пиролитическом разложении молекул углеводорода с расплавом кремния, содержащимся в приповерхностном слое материала, на который наносится покрытие, и/или парами кремния, источником которого служит расплав кремния, размещенный в тепловой зоне печи. Экспериментально показана эффективная защита данным покрытием таких материалов как SiC-C-Si и SiC-C-MoSi2 керамика, Рис. 1, углерод-углеродные композиционные материалы (УУКМ), Рис. 2, конструкционный графит, тугоплавкие металлы и металлические сплавы. Проведенные испытания показали высокую термоокислительную и термоударную стойкость, хорошую адгезию защитного покрытия к подложке.

Физические науки.
1.3.2.1. Развитие теории конденсированных сред.
1.3.2.5. Физика нано- и гетероструктур, мезоскопика.

Спиновый хаос экситонных поляритонов в магнитном поле.
Теоретически исследованы спиновые свойства экситонных поляритонов в резонаторном микростолбике, находящемся в постоянном магнитном поле и возбуждаемом резонансной световой волной. Благодаря эффекту Зеемана у нелинейной поляритонной системы существуют две ветви оптического отклика, характеризующиеся противоположными знаками циркулярной поляризации. Предсказан непрямой механизм инверсии поляризации, в соответствии с которым текущее состояние системы испытывает переход к динамическому хаосу, после чего альтернативное спиновое состояние устанавливается спонтанным образом. Такие спиновые переключения, опосредованные хаотической фазой, могут идти в обе стороны в окрестности одной и той же критической амплитуды возбуждения, при этом знак циркулярной поляризации излучения резонатора прямо определяется интенсивностью оптической накачки. Таким образом, предсказанный механизм позволяет реализовать управляемое двустороннее переключение поляризации излучения резонаторного микростолбика.

Физические науки.
1.3.2.8. Квантовая макрофизика, Бозе-конденсаты, сверхпроводимость.

Практическая реализация прототипов сверхпроводниковых нейронов.
Впервые изготовлены и исследованы прототипы сверхпроводниковых нейронов — одно- или двухконтактных интерферометров, часть контура которых шунтирована дополнительной индуктивностью (сигма-нейрон и гаусс-нейрон, соответственно). Образцы спроектированы в виде многослойных тонкоплёночных интерферометров, расположенных над толстым сверхпроводящим экраном, что обеспечивает условия, близкие к ранее предложенным теоретическим моделям. Для изготовления образцов использовался 8-стадийный технологический процесс, разработанный и внедрённый в лаборатории сверхпроводимости ИФТТ РАН. Предметом изучения была передаточная функция образца. Показано, что передаточные функции образцов, представляющие собой зависимость выходного магнитного потока от входного, в целом, соответствуют теоретическим предсказаниям, однако выявлен эффект прямой передачи входного сигнала в измерительную цепь из-за возникновения в экране кольцевых сверхтоков в качестве отклика на входной сигнал. Показано, что передаточная функция гаусс-нейрона может модифицироваться из-за взаимодействия с измерительной цепью. Полученные результаты подтверждают возможность реализации сверхпроводниковых нейронных сетей и указывают направление совершенствования сверхпроводниковых нейронов.

Физические науки.
1.3.2.10. Физическое материаловедение и физика дефектов.
Технические науки.
2.3.2.11. Разработка методов синтезирования составных упругих конструкций минимальной массы с заданными виброакустическими и прочностными свойствами для ракетно-космической техники.

Новые композиты углеволокно-титан.
Произведенное ЮМАТЕКС покрытие углеволокна медью позволило исследовательской группе ИФТТ РАН разработать новый способ получения композитов типа углеволокно-титан. В отличие от ранее разработанного ИФТТ способа получения угле-титанового композита, новый способ, во-первых, не требует специальной промежуточной матрицы для пропитки углеволокна (это существенно упрощает технологию); во-вторых, он не приводит к формированию карбида титана на поверхности волокна (это, в частности, следует из наблюдений микроструктуры композита – Рис. 1); в-третьих, как следствие второго, - прочность (до 1700 МПа) и модуль Юнга (до 200 ГПа) композита нового поколения приближают его по характеристикам к хорошей стали при плотности около 5 г/см3. Аналога такого типа конструкционных материалов не существует. Применение композитов этого типа взамен металлических сплавов (титан, сталь) при должном развитии работ позволит существенно повысить тактико-технические характеристики самолётов и других летательных аппаратов, прежде всего, сверхзвуковых и гиперзвуковых, а также глубоководных аппаратов.

С.Т. Милейко, А.А. Колчин, И.Д. Петухов, Н.А. Прокопенко, В.Ю. Малышев.
Публикации отсутствуют: способ патентуется.

Физические науки.
1.3.2.2. Структурные исследования конденсированных сред, связь структуры и свойств.

Синтез сверхпроводящего тригидрида циркония при высоком давлении водорода.
ТригидридZrH3 и, для сравнения, тридейтеридZrD3 с гексагональной плотноупакованной (ГПУ) металлической решеткой были впервые синтезированы в ИФТТ РАН при давлении водорода/дейтерия 9 ГПа и температуре 873 К в твердосплавных камерах высокого давления типа «Тороид» с большим реакционным объемом. В отличие от большого числа новых гидридов, синтезированных за последние годы в алмазных наковальнях, образцы тригидрида и тридейтерида удалось сохранить и исследовать при атмосферном давлении. Было экспериментально установлено, что их составы близки к стехиометрическим ZrH3 и ZrD3, и что они переходят в сверхпроводящее состояние при Tc = 11.6 K и 9.5 K, соответственно (см. Рис. 1). Наличие нормального изотопного эффекта (более низкое значение Tc у соединения с более тяжелым изотопом водорода) отличает тригидрид циркония от всех известных ранее сверхпроводящих гидридов металлов с атомным отношением H/Me ≤ 3.75. Устоявшееся за последние 40 лет объяснение обратного изотопного эффекта в этих гидридах оказалось неверным [V.E. Antonov et al., J.Alloys Compd. 905 (2022) 164208]. Результаты для ГПУ тригидрида циркония показывают, что обратный изотопный эффект не является общим свойством гидридов с H/Me ≤ 3.75.

Физические науки.
1.3.2.10. Физическое материаловедение и физика дефектов.

Термостабильные концентрированные растворы молекулярного водорода в литий-силикатном стекле.
Для практического использования материалы для хранения водорода должны высвобождать поглощенный водород при температурах -10÷100 °С и давлениях, близких к нормальным. В данной работе, впервые экспериментально изучено влияние катионов лития на термическую устойчивость растворов водорода в стекле Li2O·6SiO2. Кинетику распада растворов, содержавших 0.39 и 0.25 молей молекулярного водорода исследовали методом рамановской спектроскопии при изотермическом отжиге и методом термодесорбции водорода. Определенное методом рамановской спектроскопии значение энергии активации Ea=(0.419±0.019) эВ/H2 выхода водорода из приповерхностного слоя стекла оказалось выше, чем Ea=(0.16±0.02) эВ/Н2, определенное ранее для раствора водорода в кварцевом стекле, что указывает на усиление взаимодействия между молекулами водорода и атомами стекла. Это приводит к большей постоянной времени распада τ=3220 секунд при комнатной температуре по сравнению с τ=3 секунд для растворов водорода в чистом кварцевом стекле. Методом термодесорбции показано, что слабая диффузия водорода в литий-силикатном стекле дополнительно увеличивает константу времени распада раствора до τ ≈ 16000 секунд при комнатной температуре.

Физические науки.
1.3.5.6. Новые оптические материалы, оптические элементы фотоники, интегральная оптика, голография, нанофотоника, метаматериалы и метаповерхности.

Метод получения монокристаллов ZnSe:Cr для активных и пассивных элементов лазеров ближнего ИК диапазона.
Впервые предложен метод получения однородно легированных хромом монокристаллов ZnSe (рис. 1) с концентрацией Cr 1016-1020 см-3 для применения в оптике (рис. 2) лазеров ближнего ИК диапазона, используемых в дальномерной технике.
Метод разработан на основе ранее созданного способа легирования кристаллов селенида цинка хромом [1] и включает в себя синтез лигатуры CrSe и выращивание монокристаллов вертикальной зонной плавкой под давлением инертного газа. Технологические параметры процесса выбраны по результатам экспериментального исследования эффективных коэффициентов распределения хрома в ZnSe при различных концентрациях легирующей добавки [2], выполненного впервые.
Созданный метод имеет значительные преимущества перед существующими способами получения ZnSe:Cr ионной имплантацией или диффузионным введением хрома в поликристаллы селенида цинка. Эти методики не обеспечивают однородного легирования по объему лазерных элементов, кроме того, предельные концентрации Cr как правило ниже. Разработанный в ИФТТ РАН метод позволяет выращивать монокристаллы с содержанием хрома до 1020 см-3, причем радиальное распределение Cr практически отсутствует. Это делает возможным изготовление однородно легированных изделий.

Физические науки.
1.3.2.5. Физика нано- и гетероструктур, мезоскопика.

Интерферометр Боголюбова в квантовом эффекте Холла.
Предложен новый тип электронного интерферометра в режиме целочисленного кван­тового эффекта Холла, содержащий заземленный сверхпроводящий терминал. Эта геометрия позволяет управлять амплитудами андреевского и нормального рассеяния подщелевых ква­зичастиц Боголюбова с помощью фазы Ааронова-Бома, а также с помошью сужений, определяющих петлю интерферометра (Рис. 1). Матрица кондактанса такого трехполюсного интерференционного устройства типа NSN де­монстрирует гораздо более богатое поведение по сравнению с его двухполюсным аналогом Фабри-Перо, что проиллюстрировано нетривиальным поведением нелокального транспорта заряда и тепла (Рис. 2). Версия интерферометра, сформированного на одиночном краю, позволяет полностью контролировать электрон-дырочную суперпозицию по требованию, включая воз­можность резонансного усиления произвольно малой вероятности андреевского отражения до 1. Это позволяет использовать Боголюбовский интерферометр в качестве строительного блока в будущих более сложных интерференционных структурах.

Основные достижения (публикации) сотрудников
Филиала Федерального исследовательского центра химической физики им. Н. Н. Семёнова в Черноголовке

Разработан и реализован оригинальный метод регистрации ионных импульсов с детектора времяпролетного масс-спектрометра с ортогональным вводом ионов, позволяющий исключить влияние разброса амплитуд импульсов ионов одной массы на разрешение прибора. Метод заключается в определении с помощью двух параллельных каналов TDC времени прихода переднего и заднего фронтов импульса (t1,t2). При построении спектра вычисляется время (t1+t2)/2, которое соответствует вершине импульса. Положение вершины импульса не зависит от его амплитуды; тем самым достигается увеличение разрешения масс-спектрометра. Предложенный метод позволил увеличить величину массового разрешения времяпролетного масс-спектрометра с 39000 до 58000 FWHM, что соответствует мировому уровню для приборов данного типа.

Создан программный комплекс обработки масс-спектров методом двумерной декомпозиции и разделения зарядовых распределений с целью выявления компонент, соответствующих различным конформационным формам ионов исследуемых биомолекул. На примере анализа масс-спектров дейтерозамещённых многозарядных ионов апамина при дейтероводородном газофазном замещении были обнаружены три формы ионов апамина с различной конформационной структурой. Показано, что развитый метод разделения масс-зарядовых распределений на компоненты обладает устойчивостью к отсутствию информации о природном изотопном распределении больших биомолекул и может быть использован при анализе реальных образцов биомолекул неизвестной структуры.

На масс-спектральном лабораторном комплексе, включающем проточный реактор с подвижной вставкой, исследованы процессы захвата окислов азота NO2, NO3, N2O5 и озона на свежем сажевом покрытии, имитирующем органический аэрозоль, с целью моделирования гетерогенных реакций на аэрозолях в тропосфере. Впервые установлен факт многостадийности процесса захвата окислов азота и озона. Обоснован механизм захвата и получены все элементарные параметры, описывающие времязависимый захват как для индивидуальных газов, так и в условиях их конкурентной адсорбции при произвольных температурах в условиях тропосферы. Из модельных оценок скорости исследованных гетерогенных реакций в условиях тропосферы следует, что для ряда типичных концентраций исследованных газов-реагентов времязависимый характер коэффициентов захвата является существенным, поскольку характерное время длительности реакции становится сравнимым с временем жизни частиц аэрозоля в тропосфере. Исследована кинетика захвата NO2 и N2O5 при 255 K на свежем сажевом покрытии, а также захват озона на сажевом покрытии, предварительно экспонированном к NO2 и N2O5. Получен ряд элементарных параметров, описывающих захват О3, NO2 и N2O5 на указанном покрытии при их произвольных концентрациях и температуре. Разработана модель захвата на сажевой поверхности в условиях конкурентной адсорбции О3/NO2 и О3/N2O5 с учётом дополнительного канала стока озона на твёрдых продуктах захвата конкурирующего адсорбата. Впервые сделана оценка вклада этого дополнительного канала стока озона при типичных концентрациях О3, NO2 и N2O5 в зимнее время в приземной тропосфере; он может составлять до 75% от вклада основного канала. Полученные результаты внесут вклад в базу данных по химической кинетике атмосферных процессов для создания долговременных прогностических моделей изменения химического состава атмосферы.

4. Baskakov, Sergey A. Fast Charging of a Thermal Accumulator Based on Paraffin with the Addition of 0.3 wt. % rGO / Sergey A. Baskakov, Yulia V. Baskakova, Eugene N. Kabachkov, Elizaveta V. Dvoretskaya, Victor N. Vasilets, Li Zhi, Yury M. Shulga // Journal of Composites Science – 2023 – Vol. 7. - No 5. - P. 193. (Q1)

5. Talalaev, F. High-Performance Organic Field-Effect Transistors Using Rare Earth Metal Oxides as Dielectrics / F. Talalaev, S. Luchkin, A.V. Mumyatov, I.S. Zhidkov, M.V. Lobanov, N.A. Emelianov, S.D. Babenko, E.Z. Kurmaev, S.M. Aldoshin, P.A. Troshin. // ACS Applied Electronic Materials. – 2023. - Vol. 5, № 4. - P. 2000-2006. (Q1)

6. Pento, A. Laser-induced ion formation and electron emission from a nanostructured gold surface at laser fluence below the threshold of plasma formation / A. Pento, I. Kuzmin, V. Kozlovskiy, Lei Li, P. Laptinskaya, Ya. Simanovsky, B. Sartakov, S. Nikiforov // Nanomaterials. – 2023. – Vol. 13. – № 3. – P. 600. (Q1)

7. Sanina, N.A. Synthesis, a unique structure and properties of tetranitrosyl iron complex, the inhibitor of phosphodiesterase / N.A. Sanina, A.N. Utenyshev, P.V. Dorovatovskii, N.S. Ovanesyan, A.V. Kulikov, I.V. Sulimenkov, V.B. Luzhkov, O.V. Pokidova, S.M. Aldoshin // Dalton Transaction. – 2023. – Vol. 52. – № 47. – P. 18090-18101. (Q1)

8. Berdyshev, I.M. Production and Characterization of Photorin, а Novel Proteinaceous Protease Inhibitor from Entomopathogenic Bacterium Photorhabdus laumondii / I.M. Berdyshev, A.O. Svetlova, K.N. Chukhontseva, M.A. Karaseva, A.M. Varizhuk, V.V. Filatov, S.Y. Kleymenov, S.V. Kostrov, I.V. Demidyuk // Biochemistry (Moscow). – 2023. – Vol. 88. – № 9. – P. 1356–1367. (Q2)