Научные достижения

Научные достижения

Экстремальная оптическая хиральность металлических и полупроводниковых наноструктур

В 2014 г. в Институте кристаллографии были созданы массивы хиральных наноотверстий в серебре, продемонстрировавшие экстремальное оптическое вращение (ОВ) и круговой дихроизм (КД). Теоретический анализ показал, что наблюдаемые сложные спектры ОВ и КД фундаментально связаны обобщенными соотношениями Крамерса-Кронига. Для реконструкции формы хиральных наноструктур был разработан алгоритм пост-обработки данных атомно-силовой микроскопии наклонным зондом в разных направлениях с объединением наиболее качественных участков нескольких изображений, который позволил создать трехмерные модели элементарных ячеек экспериментальных образцов. По результатам проведенного численного моделирования оптических свойств была предложена аналитическая теория связанных мод, точно воспроизводящая наблюдаемые спектры ОВ и КД. Модель объяснила возникновение экстремальной оптической хиральности плазмонными резонансами наноотверстий и вызванным ими хиральным резонансом пропускания типа Фано. Аналогичные подходы были применены к созданной в 2017 г. метаповерхности на основе кремниевой пленки с хиральным нанорельефом и позволили объяснить наблюдаемое в ней сочетание высокой оптической хиральности с хорошей прозрачностью как следствие хирального возбуждения высокодобротных волноводных резонансов.

Единичная элементарная ячейка массива хиральных наноотверстий по данным АСМ-реконструкции (a)
Результат цифровой обработки данных по всему массиву
с объединением наиболее качественных участков изображений

Экспериментально наблюдаемые спектры пропускания (a)
и экстремальных КД и ОВ (c) хиральных наноотверстий в серебре
Они же, на (b) и (d), рассчитанные численно с учетом реконструированной формы отверстий,

демонстрирующие прямую связь экстремальной оптической хиральности с резонансом пропускания типа Фано

M.V. Gorkunov, V.E. Dmitrienko, A.A. Ezhov, V.V. Artemov, O.Y. Rogov. Implications of the causality principle for ultra chiral metamaterials. // Scientific Reports, 2015. V. 5. P. 9273.

A.V. Kondratov, M.V. Gorkunov, A.N. Darinskii, R.V. Gainutdinov, O.Y. Rogov, A.A. Ezhov, V.V. Artemov. Extreme optical chirality of plasmonic nanohole arrays due to chiral Fano resonance. // Physical Review B, 2016.V. 93. P. 195418.

A.V. Kondratov, O.Y. Rogov, R.V. Gainutdinov. AFM reconstruction of complex-shaped chiral plasmonic nanostructuresJ. Opt. Soc. Am. // Ultramicroscopy, 2017. V. 181. P. 81-85.

M.V. Gorkunov, A.N. Darinskii, A.V. Kondratov. Enhanced sensing of molecular optical activity with plasmonic nanohole arrays. // JOSA All Issues – OSA, 2017. B. 34. P. 315-320.

M.V. Gorkunov, O.Y. Rogov, A.V. Kondratov, V.V. Artemov, R.V. Gainutdinov, A.A. Ezhov. Chiral visible light metasurface patterned in monocrystalline silicon by focused ion beam. // Scientific Reports, 2018.

Неколлинеарный магнетизм сверхпроводника RhGe

Из квантовомеханических расчётов ab initio показано, что распределение локальных магнитных моментов вокруг атомов родия и кремния в кристаллах магнитного сверхпроводника RhGe имеет сильно неколлинеарный характер. Это является результатом спин-орбитального взаимодействия Дзялошинского-Мории и несимморфного характера пространственной группы. Найдено также, что атомы родия и германия имеют очень малый средний магнитный момент, но существенный магнитный квадрупольный момент и тороидный момент.

Направления локальных магнитных моментов вокруг атома
германия в кристалле магнитного сверхпроводника RhGe со структурой B20.

A.V. Tsvyashchenko, V.A. Sidorov, A.E. Petrova, L.N. Fomicheva, I.P. Zibrov, V.E. Dmitrienko. Superconductivity and Magnetism in Noncentrosymmetric RhGe. // Journal of Alloys and Compounds, 2016.

Возникновение электрической поляризации в мультиферроике 2-го типа Cu2OSeO3

Среди мультиферроиков 2-го типа особое место занимает кристалл Cu 2 OSeO 3 , магнитная структура которого имеет необычные свойства благодаря отсутствию центра инверсии. В работе показано, что спиновая неколлинеарность, вызванная спиновыми скосами, может приводить к возникновению в данном кристалле электрической поляризации, зависящей от намагниченности и её пространственных производных. Полученная информация открывает возможности управления магнитной структурой Cu 2 OSeO 3 при помощи электрического поля.

Распределение компоненты mz намагниченности в элементарной ячейке Cu 2 OSeO 3 ,

рассчитанное с использованием программы Quantum Espresso. Изображена плоскость z = 0.875,

в которой расположены четыре атома меди. На вставках стрелками показаны распределения

слабых компонент m x и m y , соответствующих отклонениям (скосам) спинов от оси z.

16 атомов меди в элементарной ячейке распределены на двух неэквивалентных позициях,

спины в которых имеют противоположные направления, что делает кристалл ферримагнетиком.

V.A. Chizhikov, V.E. Dmitrienko. Antiferromagnetic spin cantings as a driving force of ferroelectricity in multiferroic Cu2OSeO3. // Journal of Physics: Condensed Matter, 2017.

Скрытый магнитный порядок в кристалле URu2Si2 и стрела времени
Вопреки интуитивному представлению о времени, как о течении направленном из прошлого в будущее, большинство физических законов записаны уравнениями симметричными относительно направления времени. Тем интереснее обнаруживать в природе явления, связанные с нарушениями временной симметрии. Многие десятилетия не утихают споры вокруг магнитного фазового перехода в кристалле URu2Si2, для которого не удаётся определить параметр порядка. Нами высказано смелое предположение, что данный переход являет собой тот редкий (если не уникальный) случай в физике твёрдого тела, когда фазовое превращение проходит без изменения пространственной симметрии кристалла, но с нарушением симметрии относительно обращения времени. Положение ещё более усложняется тем, что атомы урана, вокруг которых и возникает распределение намагниченности, расположены в высокосимметричных позициях 4/mmm. Вследствие этого разрешённая магнитная конфигурация имеет вид антитороидных вихрей с нулевыми дипольным, квадрупольным, октупольным и тороидным моментами, приводя к трудности экспериментального наблюдения подобного скрытого магнитного порядка в URu2Si2.

Слева – антитороидный вихрь (АТВ) с точечной симметрией 4/mmm,

образованный 16 магнитными моментами; красные стрелки – компенсирующие

друг друга тороидные моменты верхней и нижней половин АТВ.

Справа – распределение компоненты mx намагниченности в объёмноцентрированной

элементарной ячейке URu2Si2 (по данным расчётов ab initio).

Показана зеркальная плоскость (1-10) с двумя атомами урана,

окружёнными антитороидными магнитными вихрями.

V.E. Dmitrienko, V.A. Chizhikov. The hidden order in URu2Si2: Symmetry-induced anti-toroidal vortices. // Physical Review Journals, 2018.

Молекулярная теория жидкокристаллического упорядочения в диблок сополимерах типа стержень-клубок

Диблок-сополимеры стержень-клубок состоят из макромолекул, имеющих гибкие и жёсткие фрагменты. Для последних характерен ориентационный порядок в фазах с регулярной микронеоднородностью (ламеллярная, гексагональная и т.п.). С фундаментальной точки зрения такие системы интересны сочетанием свойств жидких кристаллов и блок-сополимеров, а с практической – перспективными применениями в фотоэлектрических элементах, светодиодах и высокопрочных композитах. Нами предложена молекулярно-статистическая теория диблок сополимеров стержень-клубок. Минимизация свободной энергии, выраженной в виде функционала статистического распределения стержней и клубков позволила найти фазовые диаграммы и значения ориентационных и трансляционных параметров порядка.

Слева: схематичное изображение молекулы диблок сополимера стержень-клубок

с жесткими и гибкими частями, состоящими из 10 фрагментов каждая. Стрелками показаны

учитываемые в теории корреляции фрагментов стержень-стержень (I), стержень-клубок (II),

и клубок-клубок (III). Справа: пример рассчитанной фазовой диаграммы в осях

доля клубковых фрагментов – температура, Три фазы: изотропная (I), нематическая

(N) и ламеллярная (L) показаны разными цветам фона.

M.A. Osipov, M.V. Gorkunov. Molecular theory of liquid-crystal ordering in rod-coil diblock copolymers. // Physical Review, 2019. E. V. 100 P. 042701.

Метаповерхности с максимальной хиральностью, обусловленной связанными состояниями в континууме

Предложены хиральные метаповерхности — планарные массивы субволновых элементов с нарушенной зеркальной симметрией — обладающие беспрецедентно высокой оптической хиральностью. Если нулевая оптическая хиральность приписывается ахиральным объектам, которые идентично взаимодействуют со светом обеих круговых поляризаций, максимально хиральными являются структуры, не взаимодействующие с одной круговой поляризацией и максимально сильно взаимодействующие с противоположной. Нами впервые продемонстрирована перспективность использования связанных состояний в континууме (ССК) диэлектрических метаповерхностей для максимизации оптической хиральности. Исходя из феноменологической теории связанных мод, выяснены общие свойства хиральных ССК-резонансов, способных обеспечить узкие пики единичной высоты в спектрах кругового дихроизма. Предложена конкретная реализация максимально хиральных метаповерхностей на основе массивов пар диэлектрических стержней и представлена пошаговая схема, позволяющая трансформировать идеальные изолированные от света ССК в хиральные квази-ССК, обладающие исключительной хиральной селективностью взаимодействия со световыми волнами.

Слева: пары диэлектрических стержней с идеальным ССК и с хиральным квази-ССК, симметрия которого изменена за счет вертикального смещения и пропорционального горизонтального вращения, и элементарные ячейки их упаковок в двумерные решетки с вращательной симметрией 4-го порядка. Справа: смоделированные спектры пропускания света круговых поляризаций максимально хиральными метаповерхностями, оптимизированными для материалов с разным мнимым показателем преломления.

M.V. Gorkunov, A.A. Antonov, Y.S. Kivshar. Metasurfaces with Maximum Chirality Empowered by Bound States in the Continuum. // Physical Review E, 2020. V. 125. P. 093903.

Коалесценция изотропных капель в перегретых свободно подвешенных смектических пленках

Проведено теоретическое исследование чрезвычайно редкого явления взаимодействия и коалесценции (слияния) изотропных капель в перегретых свободно подвешенных смектических плёнках. Основные вклады в критическую работу слияния капель обусловлены выигрышем в энергии, связанным с уменьшением поверхностной энергии сливающихся капель, которому противодействует энтропийное отталкивание элементарных ступеней на смектической границе между ними. Были вычислены критическая работа коалесценции капель и соответствующий энергетический барьер. Вероятность термической активации процесса коалесценции пренебрежимо мала, что указывает на то, что слияние капель может быть инициировано только внешним раздражителем. Рассчитанная эволюция во времени высоты горлышка между сливающимися каплями и высоты их бокового размера находится в хорошем согласии с экспериментами.

Переходная область между коалесцирующими смектическими

каплями с поверхностными ступеньками, индуцированными

системой дислокаций в срединной плоскости

свободно подвешенной смектической плёнки.

E.S. Pikina, B.I. Ostrovskii, S.A. Pikin. Coalescence of isotropic droplets in overheated free standing smectic films. // Soft Matter, 2020.

Особенности сверхбыстрой переполяризации поликристаллических пленок сегнетоэлектрических твердых растворов Pb(Zr1-xTix)O3

Выяснение условий докритического роста сегнетоэлектрических доменов относится к актуальным дискусионным вопросам физики сегнетоэлектриков. Важность понимания механизма этого явления обусловлена сложностью чисто термофлуктуационного зарождения зародышей переполяризации критического размера при обычных значениях напряженности электрического поля (этот вывод известен как «парадокс Ландауэра»). Предложенная для интерпретации экспериментальных данных по сверхбыстрой переполяризации поликристаллических тонких пленок Pb(Zr1-xTix)O3 модель термофлуктуационного образования тонких сегнетоэлектрических доменов позволила объяснить наблюдаемую необычную зависимость энергии активации от электрического поля: так называемый закон 1/E2. Учет процессов докритического роста зародышей переполяризации в кинетическом уравнении для скорости изменения поляризации в пленке позволил установить причину зависимости предельной частоты (максимальной частоты электрического поля, при которой возможно переключение поляризации) от геометрических параметров системы.

Поведение предельной частоты ν0 переполяризации пленки

Pb(Zr40Ti60)O3 толщины 240 нм при уменьшении радиуса R

одного из электродов и ее аппроксимация функциями F1 и F2

A. Y. Belov. Fast polarization reversal in polycrystalline ferroelectric thin films: the origin of size effects. // Ferroelectrics, 2019. V. 544. P. 27—32.