Важнейшие результаты 2021 года

1.  Создание анода литий-ионного аккумулятора на основе нанопористого германия, сформированного имплантацией ионами серебра

Авторы: Т.П. Гаврилова, С.М. Хантимеров, Я.В. Фаттахов, В.И. Нуждин, В.Ф. Валеев, Д.А. Коновалов, А.Л. Степанов. (КФТИ ФИЦ КазНЦ РАН)

Впервые методом низкоэнергетической высокодозовой имплантации ионами серебра подложки монокристаллического германия с последующим отжигом импульсами некогерентного света сформированы губчатые слои нанопористого германия, состоящие из переплетающихся нанонитей. Полученные нанопористые слои, используемые в качестве анода литий-ионной аккумулятора, в процессе его многократной зарядки/разрядки ионами лития в электролите демонстрируют высокую кулоновскую эффективность (>97%) после первого цикла и сохранение 79.5% своей емкости после 1000 циклов. Электрохимические исследования показывают сохранение длительной работоспособности созданного электрода без его механических разрушений.

2021-1.jpg
Рис. Изображение поверхности нанопористого германия, полученное  на сканирующем электронном микроскопе, и гистограмма  распределения диаметров нанонитей по размерам. 

Публикации:

  1. A.L. Stepanov, B.F. Farrakhov, Ya.V. Fattakhov, A.M. Rogov, D.A. Konovalov, V.I. Nuzhdin, V.F. Valeev, Incoherent-light pulse annealing of nanoporous germanium layers formed by ion implantation, Vacuum 186 (2021) 110060
  2. A.L. Stepanov, S.M. Khantimerov, V.I. Nuzhdin, V.F. Valeev, A.M. Rogov, Formation of nanoporous Ge layers by ion implantation at different temperatures of c-Ge substrate, Vacuum 194 (2021) 110552
  3. T.P. Gavrilova, S.M. Khantimerov, V.I. Nuzhdin, V.F. Valeev, A.M. Rogov, A.L. Stepanov, Formation of nanoporous germanium layers with various morphology by ion implantation for anodes of lithium-ion batteries, Proceedings of the 14th International Conference “Interaction of radiation with solids”, Minsk, Belarus, Sept. 21-24 2021, P. 424-428.

Исследование выполнено при финансовой поддержке РНФ (проект № 19-79-10216)

Направление ПФНИ: 1.3.2.5 Физика нано- и гетероструктур, мезоскопика.


2. Квантовое хэширование на однофотонных состояниях с орбитальным угловым моментом

Авторы: Д.А. Турайханов1, Д.О. Акатьев1, А.В. Васильев2, Ф.М. Аблаев2, А.А. Калачев1 (1)КФТИ ФИЦ КазНЦ РАН, 2)Институт физики, КФУ)

Впервые реализовано квантовое хеширование на основе последовательности однофотонных кубитов с использованием кодирования через орбитальный угловой момент. Экспериментально проверена стойкость квантовой хеш-функции к коллизиям в зависимости от количества используемых кубитов. Получено хорошее согласие теории и эксперимента для различных состояний орбитального углового момента (ОУМ) фотонов, что открывает возможность мультиплексирования в различных вычислительных и криптографических сценариях.

На рисунке показано сравнение экспериментальных и теоретических коэффициентов ошибок для наихудшего сценария проверки квантового хеша и различных базовых состояний ОУМ.

2021-2.png
Рис. Сравнение экспериментальных и теоретических коэффициентов ошибок для наихудшего сценария и различных базовых состояний ОУМ. Черные кружки показывают теоретические значения, а синие квадраты экспериментальные значения для случаев орбитального углового момента (a), (б),

Работа выполнена при поддержке гранта Российского научного фонда № 19-19-00656.

Публикации:

  1. D.A. Turaykhanov, D.O. Akat'ev, A.V. Vasiliev, F.M. Ablayev, and A.A. Kalachev Quantum hashing via single-photon states with orbital angular momentum Phys. Rev. A 104, 052606

Направление ПФНИ: 1.3.5.2. Перспективные методы оптических квантовых вычислений и квантовых коммуникаций


3. Ионно-лучевой синтез ферромагнитных сплавов палладия с железом и наблюдение в них спинодального распада

Авторы: Р.И. Хайбуллин 1, В.Ф. Валеев 1, А.И. Гумаров 1,2, И.И. Гумарова 1, Н.М. Лядов 1, В.И. Нуждин 1; Л.Р. Тагиров 1, Р.В. Юсупов 2, И.В. Янилкин 2 (1)КФТИ ФИЦ КазНЦ РАН; 2)Институт физики, КФУ)

Впервые путем имплантации быстрых ионов железа в эпитаксиальные плёнки палладия реализован синтез бинарных сплавов Pd(1-x)Fex, где значение x определяется дозой имплантации и лежит в диапазоне 0.01-0.10. Показано [1], что имплантированная примесь железа находиться в форме раствора замещения в кристаллической структуре палладия. Имплантация ионов железа в матрицу палладия индуцирует переход его в ферромагнитное состояние при низких температурах (см. рис.1a). При этом магнитные параметры ионно-синтезированных сплавов определяются как дозой имплантации железа, так и режимами последующего термического отжига за счёт пространственного перераспределения атомов железа во время отжига (поддержано расчетами их первых принципов [2]). В отличие от подобных плёнок бинарных сплавов Pd-Fe, полученных методом молекулярно-лучевой эпитаксии, ионно-синтезированные сплавы проявляют две характерные особенности. Первой особенностью является существенно меньшее значение величины коэрцитивного поля, что важно для практических приложений ионно-синтезированных сплавов в сверхпроводящей спинтронике (рис.1б). Вторая особенность – это формирование многофазной слоистой магнитной структуры (спинодальный распад) в имплантированных Fe плёнках Pd, что подтверждается наблюдением множества пиков ферромагнитного резонанса [1]. Спинодальный распад в имплантированных пленках Pd на слои с определенными равновесными значениями концентрации железа – интригующее наблюдение для пары Pd и Fe, обычно считающейся полностью взаимно растворимой в бинарных смесях при x ниже 10 атомных процентов.

2021-3.png
Рис. 1. Петли магнитного гистерезиса (a) и термомагнитные кривые (б) для имплантированной железом пленки палладия (значение x~7.5 ат. %) как до (-○-), так и после (-●-) термического отжига в вакууме при 770ºК в течение 20 мин. Для сравнения представлены магнитные кривые (-■-) для тонкоплёночного бинарного сплава Pd0.925Fe0.075, полученной методом МЛЭ.

Публикации:

  1. Iron-implanted epitaxial palladium thin films: Structure, ferromagnetism and signatures of spinodal decomposition [Text] / A.I. Gumarov, I.V. Yanilkin, R.V. Yusupov, A.G. Kiiamov, L.R. Tagirov, R.I. Khaibullin // Materials Letters. – 2021. – Vol. 305. – Art. 130783.
  2. Ab initio Investigation of Impurity Ferromagnetism in the Pd1−xFex Alloys: Concentration and Position Dependences [Text] / I. Piyanzina, A. Gumarov, R. Khaibullin, L. Tagirov // Crystals. – 2021. – Vol. 11, Iss.10. – Art. 01257.

Исследование выполнено в рамках гранта РФФИ № 20-02-00981.

Направления ПФНИ: 1.3.2.10. Физическое материаловедение и физика дефектов; 1.3.2.3. Физика магнитных явлений, магнитные материалы и структуры, спинтроника.


4. Метод генерации импульсов различной формы на основе эффекта Тальбота

Автор: Р. Н. Шахмуратов  (КФТИ ФИЦ КазНЦ РАН)

Разработка велась в обособленном структурном подразделении КФТИ ФИЦ КазНЦ РАН совместно с ООО "Новые структуры и технологии".

Предложен метод генерации импульсов, в основе которого лежит периодическая фазовая модуляция непрерывного излучения, создающая гребенчатую структуру в спектре излучения. Фазовая фильтрация такого излучения через среду с дисперсией групповых скоростей приводит к возникновению импульсов разнообразной формы. Предложенный метод позволяет создавать оптоэлектронные системы высокой интеграции для обработки информации.

2021-4-12.png
Рис.1 (а) Формирование прямоугольных импульсов при периодической модуляции фазы непрерывного излучения после пропускания через среду с дисперсией групповых скоростей с дробным параметром Тальбота 1/4. (б) Дробный параметр Тальбота равен 1/8. Импульсы в последнем случае приобретают многоступенчатую структуру. I(t) - интенсивность излучения, I0 - интенсивность излучения на входе в управляющую систему, Т - период фазовой модуляции.

2021-4-3.png
Рис.2 (а) В предложенной схеме непрерывное излучение стабилизированного лазера пропускается через электрооптический модулятор, который осуществляет модуляцию фазы излучения (PM - phase modulation). Затем это излучение проходит через среду с дисперсией групповых скоростей (GDD - group delay dispersion circuit). (б) Предлагается заменить GDD системой связанных волноводов разной длины и с разным набегом фазы излучения в каждом пути излучения, расщепленного на делителях (CPL - couplers).

Госзадание по теме «Развитие спиновой физики, спиновой химии и спиновой технологии. Спинтроника сверхпроводящих и магнитных топологических систем. Разработка физических принципов квантовой информатики. Когерентная и нелинейная оптика» АААА-А18-118030690040-8

Публикация: R Shakhmuratov, "Generation of Pulses from Periodically Sawtooth Phase-Modulated CW Laser Field Using the Temporal Fractional Talbot Effect," IEEE Journal of Lightwave Technology (accepted, in production). Q1.

Направления ПФНИ: 1.3.5. Оптика и лазерная физика; 1.3.5.3. Волоконная оптика, оптическая связь, оптическая информатика