Институт физики твердого тела

Институт физики твердого тела является уникальным центром экспериментальных исследований, в котором представлен практически полный набор современных возможностей от аттестации материалов до широкого комплекса прецизионных измерений. Одна из ключевых позиций в экспериментальной физике конденсированного состояния состоит в возможности использования температур, близких к абсолютному нулю. Поэтому работа с жидким гелием при температурах от 4.2К до 1.5К стала обыденным явлением в большинстве лабораторий института. В ряде лабораторий необходимы более низкие температуры : для получения температур до 0.3К используется дополнительный цикл охлаждения с помощью откачки паров жидкого изотопа Не3 , для получения еще более низких температур до 25 мК применяются криостаты растворения Не3 - Не4. При исследованиях электронной кинетики, квантового транспорта, ядерного магнитного резонанса и сверхпроводимости необходимы сверхсильные магнитные поля. В лабораториях ИФТТ РАН имеется широкий набор сверхпроводящих соленоидов для получения статических магнитных полей. Максимальное магнитное поле, доступное сотрудникам института в настоящее время, составляет 16Т. Синтез принципиально новых материалов требует применения высоких давлений. В ИФТТ РАН разработаны и используются камеры квазигидростатического давления до 400 кбар, в которых возможно проведение калориметрических, магнитометрических и резистометрических измерений в диапазоне температур от 4.2К до 1500К.

В работе Центра "Квантовая нанофизика" принимают непосредственное участие Лаборатория электронной кинетики (ЛЭК), Лаборатория неравновесных электронных процессов (ЛНЭП), Лаборатория сверхпроводимости (ЛС), Лаборатория квантового транспорта (ЛКТ), Лаборатория квантовых кристаллов (ЛКК) и Лаборатория спектроскопии дефектных структур (ЛСДС). Часть программы научных исследований Центра, выполняемая в ИФТТ РАН, включает в себя исследование высокотемпературной сверхпроводимости и сверхпроводящих наноструктур, исследование эффектов межэлектронного взаимодействия в полупроводниковых структурах пониженной размерности и полупроводниковых наноструктур, а также изучение квантовых жидкостей и кристаллов.

Исследования обычной сверхпроводимости (ЛС, ЛЭК, ЛСДС) связаны в последние годы с изучением мезоскопических сверхпроводников и слабосвязанных сверхпроводящих (джозефсоновских) структур с микронными и субмикронными размерами элементов. Электроны проводимости в массивном куске сверхпроводника ведут себя упорядоченным скоррелированным образом и представляют собой единую электронную волну, обладающую в каждой точке определенной амплитудой и фазой. Длинномасштабная когерентность электронной системы в сверхпроводнике позволяет исследовать макроскопические аналоги квантовомеханических процессов, таких, например, как квантование и суперпозиция токовых состояний в сверхпроводящих кольцах, туннелирование макроскопических состояний через потенциальный барьер, баллистический и квантовый транспорт сверхпроводящих вихревых токов (флаксонов) в периодических сетках сверхпроводящих джозефсоновских переходов. Поведение джозефсоновских переходов, т.е. слабосвязанных контактов двух сверхпроводников через туннельный диэлектрический зазор, узкую сверхпроводящую закоротку или несверхпроводящий металлический слой, определяется разностью фаз сверхпроводящей волновой функции на "берегах" такого перехода. Наряду с изучением и использованием традиционных джозефсоновских структур: туннельных переходов микронных размеров и тонкопленочных сэндвичей сверхпроводник - нормальный металл - сверхпроводник проводятся исследования новых типов джозефсоновских переходов: сэндвичей сверхпроводник-ферромагнетик-сверхпроводник (SFS-контактов) и субмикронных джозефсоновских туннельных переходов с малой емкостью. Малая емкость в таких сверхпроводящих микроконденсаторах приводит к большой кулоновской энергии связи и является причиной "кулоновской блокады" туннелирования электронов и значительных квантовых флуктуаций сверхпроводящей фазы в берегах, поскольку фаза и заряд в субмикронных джозефсоновских переходах связаны соотношением неопределенности, как координата и импульс микроскопической квантовой частицы. Расчеты показывают, что сверхпроводящая петля, которая включает несколько малых туннельных переходов и SFS-контакт, являющийся источником сдвига фазы в таком контуре на p, ведет себя как квантовомеханическое когерентная двухуровневая система, пригодная для использования в качестве квантового бита - основновного элемента гипотетического квантового компьютера. Для приготовления джозефсоновских структур используются современные тонкопленочные методы, оптическая и электронная литография.

Исследования высокотемпературной сверхпроводимости (ЛС, ЛЭК, ЛСДС) нацелены на создание новых материалов и устройств, обладающих сверхпроводящими свойствами при максимально высоких температурах и выяснение физического механизма высокотемпературной сверхпроводимости.

Исследования полупроводниковых структур пониженной размерности и устройств на их основе (ЛНЭП, ЛКТ, ЛЭК) являются одной из наиболее перспективных и интересных областей квантовой нанофизики. Открытие целочисленного и дробного квантового эффекта Холла потребовало введения новых весьма необычных квазичастиц: возбуждений электронной системы с дробным зарядом, комбинированных частиц, обладающих электрическим зарядом и переносящих два кванта потока магнитной индукции - композитных фермионов, а также спиновых текстур - скирмионов. Исследование физических свойств этих квазичастиц продолжает оставаться одной из актуальных задач физики твердого тела. В ИФТТ РАН разработан и успешно применен ряд оригинальных экспериментальных подходов к решению этой задачи. В области оптических исследований мощным методом исследований оказалась разработанная в ИФТТ РАН методика фотолюминисценции двумерных электронов с дырками, локализованными на акцепторах. В транспорте в нашем институте впервые экпериментально реализован так называемый "мысленный" опыт Лафлина. Широкое применение в этой области находят и туннельные измерения. В качестве наглядного примера нанотехнологий можно привести исследования ИФТТ РАН по туннелированию электронов в плоскости двумерного газа через искуственно созданный барьер длиной 200 нм и шириной 10 нм. Особо активно в последнее время исследуются двойные квантовые ямы. В таких структурах могут быть созданы долго живущие составные частицы из электрона и дырки (непрямые экситоны), а следовательно, есть надежда обнаружить столь фундаментальное явление, как Бозе-конденсацию в газе непрямых экситонов. В квантующем магнитном поле в двойных квантовых ямах возникают сильные корреляции в движении электронов различных слоев и, как следствие, новые фазы с удивительным спиновым упорядочением.

Исследования квантовых кристаллов (ЛКК) включают в себя изучение кинетических и нестационарных явлений в квантовых жидкостях и кристаллах (в конденсированном гелии и водороде при малых давлениях):

  • нелинейных волн в объеме и на поверхности жидкостей (нелинейных явлений на заряженной поверхности жидкого водорода, нелинейных волн первого и второго звуков в сверхтекучем гелии);

  • исследование механизма образования и свойств новых пористых систем -- примесь-гелиевых конденсатов (в первую очередь, водяного и дейтериевого геля) образующихся при конденсации в сверхтекучей жидкости потока газообразного Не-4 с примесью молекул исследуемого вещества.

 

 

главная     о центре     кафедры     исследования     обучение    публикации      контактная информация