Лаборатория кинетических явлений

Направления исследований

• Резонансная спектроскопия фазовых переходов и критических явлений в сильнокоррелированных системах на основе d- и f – элементов, включая наночастицы и гетероструктуры.
• Исследование атомной диффузии и реориентационного движения в системах металл – водород.
• Механизмы электропереноса в материалах с ионной проводимостью.
• Нелинейные  динамические явления в системах с дальним магнитным порядком: домены, доменные границы, вихревые и низкоразмерные структуры.
• Фокусировка фононов, фононный транспорт и термоэлектрические явления в полупроводниковых нанопленках и нанопроводах.

Деятельность лаборатории

Цель проводимых исследований – поиск закономерностей изменения микроскопических свойств указанных систем в зависимости от структуры решетки, разупорядочения, температуры, внешнего давления, состава (в том числе и изотопического), концентрации примесей для выявления перспективных с точки зрения практических приложений соединений.

В рамках основной темы «ЯМР и ЯГР – спектроскопия соединений на основе переходных металлов, систем металл-водород, мультиферроиков и гетероструктур» в лаборатории ведутся исследования широкого класса систем с сильными электрон-электронными корреляциями: высокотемпературных сверхпроводников (С.В. Верховский, к.ф.-м.н., в.н.с.), манганитов (К.Н. Михалев, д.ф.-м.н., зав. лабороторией.), низкоразмерных систем и мультиферроиков (Ю.В. Пискунов, к.ф.-м.н., с.н.с., В.В. Оглобличев, к.ф.-м.н., с.н.с.). Здесь получен ряд интересных результатов. Например, изучение методами ЯМР манганитов (La_0.25Pr_0.75)_0.7Ca_0.3MnO₃, обогащенных кислородом ¹⁸O, в парамагнитной области во внешних магнитных полях показало, что в поле порядка 5 Тл сигнал ЯМР от ядер ¹³⁹La полностью исчезает. Его исчезновение – следствие аномального возрастания скорости спин-спиновой релаксации при замещении ¹⁶O → ¹⁸O. Наблюдаемый изотоп-эффект свидетельствует о значительной роли решеточной динамики в формировании основного состояния и  дальнего магнитного порядка в  манганитах. Методами ядерного магнитного резонанса выполнено комплексное  исследование магнитной структуры монокристаллов мультиферроиков LiCu₂O₂, NaCu₂O₂. Определены пространственная ориентация планарных спиновых спиралей в медно-кислородных цепочках Сu²⁺-O  и ее эволюция в зависимости от направления внешнего магнитного поля.

В области систем металл-водород, интерес к которым охватывает широкий диапазон проблем от чисто научных до прикладных, с помощью ЯМР и методом квазиупругого рассеяния нейтронов получены приоритетные результаты по особенностям диффузионного движения атомов водорода в фазах Лавеса: обнаружено сосуществование двух типов прыжкового движения атомов H с различными характерными частотами. Быстрый прыжковый процесс представляет собой локальные перескоки атомов H по небольшим группам междоузлий; он имеет ярко выраженную квантовую природу. Медленный прыжковый процесс отвечает за диффузию водорода на далекие расстояния. Найдена корреляция между характерными частотами этих двух процессов и структурой подрешетки междоузлий в этих соединениях (А.В. Скрипов, д.ф.-м.н., г.н.с.). В лаборатории также интенсивно занимаются изучением динамики атомов лития в твердых электролитах и ионных проводниках методами ЯМР (А.Л. Бузлуков, к.ф.-м.н., с.н.с, И.Ю. Арапова, к.ф.-м.н., с.н.с.).

Кроме экспериментальных, в лаборатории ведутся теоретические исследования в области нелинейной физики магнитных явлений (А.П. Танкеев, д.ф.-м.н., проф.) и физики фононов (И.Г. Кулеев, д.ф-м.н., г.н.с.). Здесь тоже получен ряд интересных результатов. В частности, построены нелинейные динамические модели поведения намагниченности, учитывающие магнитостатические взаимодействия, размерные эффекты, высшую линейную и нелинейную дисперсии в гетерофазных структурах ферромагнетик-диэлектрик-металл. Разработаны аналитические и численные алгоритмы анализа сценариев зарождения и эволюции «темных», «светлых» и «серых» квазисолитонов, составных солитонов, бризеров, процессов их взаимодействия, перестройки и разрушения по действием монохроматического излучения. Предложены способы их идентификации по амплитудной дисперсии и асимметрии сформировавшегося нелинейного импульса, прошедшего через систему. Полученные результаты согласуются с экспериментальными данными.

В области физики фононов предложена классификация кубических кристаллов по их упругим свойствам: кристаллы с положительной (Ge, Si, алмаз, InSb, GaSb и др.) и отрицательной (KCl, NaСl) анизотропией упругих модулей второго порядка. Рассчитаны положения максимумов, минимумов и анизотропия коэффициентов поглощения ультразвука этими кристаллами, как для дефектного, так и для ангармонических процессов рассеяния. Найдены оптимальные направления распространения и поляризации ультразвуковой волны, обеспечивающие минимум поглощения ультразвука, что может быть использовано, например, при создании новых полупроводниковых устройств.

В настоящее время в лаборатории уверенно наблюдается сигнал ЯМР от более 50 элементов периодической системы элементов Д.И. Менделеева. Создан пакет оригинальных управляющих и расчетных программ для регистрации и обработки спектров ЯМР, определения времен релаксации (А.П. Геращенко, к.ф.-м.н., с.н.с.). Исследование высокодисперсионных магнитных структур (в том числе и в нанокристаллическом состоянии) производится методами ядерной гамма-резонансной спектроскопии (эффект Мессбауэра) и мессбауэровской спектроскопии на конверсионных электронах (Б.Ю. Голобородский, к.ф.-м.н., главный специалист).

Сегодня лаборатория активно сотрудничает с научными центрами в России и за рубежом. Среди российских научных центров такие как: Российский научный центр «Курчатовский институт», Российский Федеральный Ядерный Центр – ВНИИТФ им. академика Е.И. Забабахина, Институт радиотехники и электроники РАН, Институт высокотемпературной электрохимии УрО РАН, Институт химии твердого тела УрО РАН, Институт химии и механохимии СО РАН, Московский институт стали и сплавов, Казанский государственный университет, Башкирский государственный университет и др. Зарубежные научные центры представлены Институтом химической физики университета Саарбрюкен (Германия), Высшей промышленной школой физики и химии (Париж, Франция), Парижским университетом, Университетом Хоккайдо (Саппоро, Япония), Национальным бюро стандартов и технологий США, Иерусалимским национальным университетом (Израиль) и другими учреждениями.

Диссертации доктора наук, выполненные в лаборатории кинетических явлений

• В.П. Калашников «Метод неравновесного статистического оператора и его приложения к кинетике парамагнитных явлений в проводящих кристаллах» (1972).
• А.В. Скрипов «Фазовые превращения и подвижность водорода в гидридах сплавов и соединений переходных металлов» (1998).
• И.Г. Кулеев «Электрон-фононное увлечение, нормальные процессы рассеяния квазичастиц и кинетические эффекты в металлах и полупроводниках» (2002).
• К.Н. Михалев «Ядерный магнитный резонанс в оксидах с сильными электрон-электронными корреляциями» (2009).
• А.П. Геращенко «Спектроскопия ЯМР в исследованиях электронных и магнитных свойств сильно коррелированных систем» (2019).
• Ю.В. Пискунов «Ядерный магнитный резонанс в сверхпроводящих оксидных соединениях с лестничной и перовскитоподобной структурами» (2020).
• А.В. Солонинин «Атомное движение в комплексных борогидридах металлов» (2021).

Диссертации кандидата наук, выполненные в лаборатории кинетических явлений

• А.М. Злобин «К теории нелинейных гальваномагнитных явлений в полупроводниках в квантующем магнитном поле « (1969).
• И.Г. Кулеев «Теория квантовых осцилляций Холла» (1970).
• В.В. Кондратьев «Некоторые вопросы теории сильно ангармонических решеток» (1974).
• В.В. Устинов «Влияние поверхностного рассеяния электронов проводимости на электромагнитные свойства металлов» (1975).
• С.В. Верховский «Исследование особенностей электронного строения сплавов со структурой А15 на основе ванадия и ниобия (1975).
• И.А. Дубовцев «Исследование методом эффекта Мессбауэра электромагнитного возбуждения звука в металлах» (1976).
• Е.П. Елсуков «Исследование процессов намагничивания тонких монокристаллов кремнистого железа ЯГР и магнитооптическими методами» (1979).
• В.А. Цурин «Исследование магнитного и структурного состояния сплавов Fe-Pd методом ядерного гамма-резонанса» (1980).
• М.И. Кацнельсон «Элементарные возбуждения и электронные неустойчивости в полярной и s-d моделях» (1980).
• А.В. Скрипов «Ядерный магнитный резонанс в интерметаллических соединениях ванадия со структурой А15» (1982).
• А.В. Кобелев «Ферми-жидкостная теория поверхностного импеданса нормальных металлов» (1982).
• В.А. Шабашов «Структурные и концентрационные изменения при фазовых превращениях в метастабильных аустенитных сплавах на Fe-Ni основе» (1983).
• Б.А. Алексашин «Особенности электронного строения интерметаллических соединений ванадия с дефектной структурой А15» (1984).
• А.А. Романюха «Экспериментальное исследование динамики спиновой намагниченности металла вблизи поверхности методом ЭПР» (1984).
• Н.В. Ершов «Применение регулярных методов решения обратной задачи в структурных исследованиях аморфных твердых тел» (1984).
• К.Н. Михалев «Ядерный магнитный резонанс в тройных халькогенидах молибдена» (1987).
• М.Ю. Беляев «Ядерный магнитный резонанс в гидридах и дейтеридах интерметаллических соединений со структурой С15» (1987).
• К.А. Окулова «Проявление скин-эффекта и проводящих свойств приповерхностного слоя в форме линии ядерного магнитного резонанса в алюминии» (1991).
• С.В. Рычкова «Особенности движения изотопов водорода в интерметаллических соединениях со структурой С15» (1992).
• Ю.И. Жданов «Ядерный магнитный резонанс в высокотемпературных сверхпроводниках» (1993).
• Ю.В. Пискунов «Спиновая восприимчивость и распределение заряда в неэквивалентных медь-кислородных плоскостях сверхпроводника Ta2Ba2Ca2Cu3O10: ЯМР исследования» (1997) .
• А.П. Геращенко «Спиновая восприимчивость сверхпроводника Тa2Ba2CaCu2O8 (1998).
• Д.С. Сибирцев «Ядерный магнитный резонанс в системах металл-водород с высокой подвижностью протонов» (1998).
• И.Ю. Арапова «Кинетические явления в кристаллах HgSe, содержащих примеси железа со смешанной валентностью» (2000).
• А.В. Солонинин «Исследование подвижности водорода в соединениях со структурами С15, А15и В1 методами ЯМР» (2002).
• А.Л. Бузлуков «Особенности движения водорода в интерметаллических соединениях со структурами MgCu2 и Ti2Ni» (2004)
• И.И. Кулеев «Ангармонические процессы рассеяния фононов и кинетические эффекты в кристаллах германия и кремния с изотопическим беспорядком» (2005).
• М.А. Борич «Нелинейные волны в магнитных пленках и слоистых структурах: распространение и взаимодействие» (2005).
• В.В. Смагин «Нелинейная динамика магнитных пленок и магнитных слоистых структур» (2006).
• В.В. Оглобличев «Косвенные взаимодействия ядерных спинов в сверхпроводящих оксидах Ba(Pb,Bi)O3: исследования методами двойного ядерного резонанса» (2007).
• О.А. Бабанова «Исследование подвижности водорода в борогидридах и в наноструктурированных гидридах сплавов на основе титана методом ЯМР» (2012).
• З.Н. Волкова «Ядерный магнитный резонанс в слабодопированных манганитах» (2013).
• А.Ю. Гермов «Ядерный магнитный резонанс в электронно-допированных кубических манганитах» (2018).
• А.Ф. Садыков «Магнитные структуры низкоразмерных соединений LiCu2O2 и NaCu2O2» (2018).
• А.Г. Смольников «Магнитный и зарядовый порядок в CuCrO₂» (2019).
• С.П. Савченко «Фокусировка, каустика и вырождение спиновых волн в магнитоупорядоченных средах» (2021).