Месяц назад в томе 92 научного журнала Physical Review B (США), посвященного теоретическим и экспериментальным исследованиям в области физики конденсированного состояния и материаловедения, была опубликована очередная статья, написанная учеными alma mater.
Авторство статьи принадлежит интернациональному коллективу ученых, в который вошли ученые Института физики КФУ Б.Малкин, С.Никитин, Р.Юсупов, И.Гильмутдинов, И.Мумджи, Р.Батулин, А.Киямов, Д.Зверев и Б.Габбасов, исследователи из университета Уорвик (Warwick University, Ковентри, Великобритания) О.Петренко и О.Янг, а также ученый из университета Radboud (Нидерланды) Д.Андройя.
Статья посвящена исследованиям некоторых свойств, которыми обладают оксиды зедкоземельных элементов стронция и эрбия. Называется она «Магнитные и спектральные свойства оксидов SrY2O4:Er3+ и SrEr2O4 с большим числом подрешеток» («Magnetic and spectral properties of multi-sublattice oxides SrY2O4:Er3+ and SrEr2O4»). Руководитель и идейный вдохновитель исследований этой научной проблемы, профессор кафедры теоретической физики ИФ Борис Малкин рассказал нам, что в этой статье представлены результаты комплекса экспериментальных и теоретических исследований спектральных и магнитных свойств разбавленных и концентрированных оксидов редкоземельных элементов стронция и эрбия. Они очень необычны - имеют специфическую квазиодномерную структуру: 4 магнито-неэквивалентные подрешетки ионов эрбия, которые образуют зигзагообразные цепочки вдоль одного из 3 кристаллографических направлений.
- Цель исследований - выяснить механизмы формирования необычных физических свойств этих оксидов при низких температурах (ниже 1К) - уточнил Борис Залманович. - Исследовательская работа, которую по большей части выполнили молодые ученые Института физики, включала в себя выращивание кристаллов-образцов и такие их измерения, как рентгено-структурные, а также оптических спектров (методами лазерной спектроскопии высокого разрешения) и спектров электронного парамагнитного резонанса.
Были также проведены магнитометрические измерения (намагниченность во внешних магнитных полях и магнитная восприимчивость в зависимости от температуры) разбавленных образцов с малой концентрацией ионов эрбия. Зарубежные коллеги измерили спектры неупругого рассеяния нейтронов и намагниченность концентрированных образцов (с большой концентрацией ионов эрбия).
Исследования получились непростыми: их сложность заключается в наблюдении нескольких типов откликов парамагнитных ионов на внешние воздействия - статические магнитные поля, потоки нейтронов и фотонов. Тем не менее, основываясь на теоретическом анализе электронного строения изученных кристаллов и данных проведенных методом селективной лазерной спектроскопии измерений, мы расшифровали измеренные спектры и идентифицировали возбуждения ионов эрбия с их позициями в элементарной ячейке кристаллической решетки.
Кроме того, нам удалось выяснить природу отсутствия дальнего магнитного порядка для ионов эрбия в 4 из 8 подрешетках. Этот момент важен для решения более общей научной проблемы - необычных фазовых состояний содержащих парамагнитные ионы кристаллов при экстремальных условиях - сверхнизких температурах. Эти исследования имеют, в первую очередь, фундаментальный характер. Но изучаемые нами системы могут найти и практическое применение в оптоэлектронике и спинтронике, например, как преобразователи излучения. Поэтому исследования подобных кристаллов будут продолжаться - с целью обнаружения и выяснения механизмов формирования новых магнитных структур в редкоземельных оксидах.
Справка: оптоэлектроника - изучение взаимодействия электромагнитных волн оптического диапазона и электронов вещества. Охватывает проблемы создания приборов, в которых это взаимодействие используются для генерации, передачи, обработки, хранения и отображения информации (светодиоды, лазеры и т.д.). Спинтроника - раздел квантовой электроники, изучающий спиновой перенос тока в твердых веществах. Сферы применения - компьютерная память STT-RAM (Spin Torque Transfer RAM) и твердотельные аккумуляторы без химических реакций, переводящие электрическую энергию в постоянное магнитное поле и обратно, вырабатывая таким образом ток.
Об исследованиях рассказывает их участник, доцент кафедры квантовой электроники и радиоспектроскопии ИФ, с. н. с. Центра квантовых технологий КФУ Роман Юсупов:
- Эта работа задумана и на 90% выполнена в стенах alma mater – в других местах прошли только эксперименты по рассеянию нейтронов. При ее проведении был реализован заложенный приобретенным по Программе развития КФУ оборудованием потенциал синтеза и исследований оксидных соединений: синтез монокристаллов методом зонной плавки с оптическим нагревом, который обеспечивает их высочайшую чистоту, проверка качества методами рентгеноструктурного анализа и изготовление ориентированных в заданных направлениях образцов, а также измерения совокупности магнитных свойств в диапазоне температур от 2 до 300 К и магнитных полей ?9 Тесла.
Эта напоминающая реторту средневекового алхимика деталь - часть печи, в которой ситезируются кристаллы оксидов стронция и эрбия (такой кристалл желтого цвета виден в центре прибора).
За несколько недель мы провели обширную программу исследований, а их уровень обеспечил опубликование результатов в одном из самых авторитетных журналов в области физики – «PRB». А коллектив молодых исследователей-экспериментаторов из разных подразделений ИФ КФУ получил позитивный опыт продуктивной командной работы.
В руке исследователя - содержащий оксиды стронция и эрбия кристалл, изучение которого выведет физику на новый уровень и поспособствует появлению принципиально новых электронных приборов.
В заключение хотелось бы поблагодарить за идею исследований и разработку стратегии их выполнения, а также за постоянный живой интерес, признанного во всем мире теоретика в области физики соединений редкоземельных металлов Бориса Малкина и экспериментатора высочайшего уровня, директора Института физики Сергея Никитина.