Важнейшие результаты 2022 года

1.  Инженерия дисперсии спиновых волн в градиентных магнитных материалах

Впервые разработана технология синтеза тонкопленочных градиентных магнитных материалов с изменением локальной намагниченности по толщине пленки. Получены эпитаксиальные пленки сплава палладий-железо толщиной от 20 до 400 нм с линейным, ступенчатым, а также с более сложными (лоренцевым, синусоидальным или косинусоидальным) глубинными профилями концентрации железа и соответствующим им распределением намагниченности по толщине пленок. С помощью измерений спин-волновых резонансов продемонстрировано, что закон дисперсии спиновых волн (зависимость энергии спиновых волн от волнового вектора) и диапазон энергий возбуждаемых спиновых волн могут качественно и количественно контролироваться в широких пределах дизайном профиля распределения намагниченности (см. Рис. 1). Полученные результаты являются уникальными с точки зрения экспериментальной реализации дизайна дисперсии обменных спиновых волн в тонких пленках градиентных магнитных материалов и имеют большую перспективу для приложений в магнонике.

Публикации:

1. I.A. Golovchanskiy, I.V. Yanilkin, A.I. Gumarov, B.F. Gabbasov, N.N. Abramov, R.V. Yusupov, R.I. Khaibullin, L.R. Tagirov / Exchange spin waves in thin films with gradient composition // Physical Review Materials (APS). – 2022. – V.6. – Art. 064406 (IF=3.98, Q1).
2. I.V. Yanilkin, A.I. Gumarov, I.A. Golovchanskiy, B.F. Gabbasov, R.V. Yusupov, L.R. Tagirov / Engineering the exchange spin-waves in graded thin ferromagnetic films // Nanomaterials (MDPI). – 2022. – (accepted) (IF=5.719, Q1).

Работа выполнена при поддержке гранта РНФ (Проект №. 22-22-00629 https://rscf.ru/en/project/22-22-00629/).

Направление ПФНИ – Физические науки 1.3.2.3. Физика магнитных явлений, магнитные материалы и структуры, спинтроника

2.  Квантовое хеширование на основе многомерных однофотонных состояний в базисе орбитального момента света

В данной работе впервые был предложен концепт квантового хеширования на основе многомерных однофотонных состояний. Квантовая многомерная хеш-функция реализовывалась как последовательность состояний изолированных кудитов, где классическая информация кодировалась в фазе каждого кудита. Такая конструкция хеш-функции позволяет автоматически удовлетворить условию однонаправленности криптографических хеш-функций, так как количество классической информации, которую мы можем извлечь, всегда будет ограничено (по условию теоремы Холево). Кроме того, мы исследовали устойчивость к коллизиям предложенной квантовой многомерной хеш-функции.

На рисунке 1 представлены результаты измерения вероятности возникновения коллизий в процессе хеширования 8 бит классической информации в зависимости от количества используемых кудитов. Полученные результаты показывают, что предлагаемая техника хеширования может быть полезна для квантового хеширования малого объема информации. Кроме того, из экспериментальных данных видно, что при увеличении размерности квантовых состояний, количество носителей информации, которые необходимы для достижения оптимальных параметров, уменьшается. Например, если мы ограничимся вероятностью коллизий 0.25 и вероятностью извлечь информацию о входном сообщении 0.15 то, чтобы “хешировать” 8-бит классической информации, необходимо использовать  5 кубит (d = 2, m = 5), 3 кутрита (d = 3, m = 3) или 2 кукварта (d = 4, m = 2).

Экспериментальная часть была выполнена в рамках темы госзадания № 122011800133-2, руководитель А. А. Калачев.

Код ОЭСР – 1.3.6.

Работа была опубликована в журнале Laser Physics Letters (DO Akat'ev et all, 2022, Laser Phys. Lett. 19, 125205)

Направление ПФНИ – Физические науки - 1.3.5.2. Перспективные методы оптических квантовых вычислений и квантовых коммуникаций

3.  Объяснены необычные спектральные свойства эндофуллерена Sc2@C80(CH2Ph) и предложено применение в качестве датчика магнитного поля.

Диметаллофуллерен Sc₂@C₈₀(CH₂Ph) имеет один неспаренный электрон на связывающей орбитали, сформированной spd-гибридизацией атомов скандия. Наличие неспаренного электрона приводит к проявлению необычных свойств. Благодаря сильному перекрыванию атомарных s-, p-, и d-орбиталей, неспаренный электрон имеет сильное контактное взаимодействие Ферми с ядерными спинами скандия ⁴⁵Sc (I=7/2, константа сверхтонкого взаимодействия 510 МГц). В результате, в ЭПР эксперименте в интервале 0.25 Т наблюдаются спектр, состоящий из 64 линий. Резонансные линии разрешаются полностью благодаря существенному вкладу несекулярной части СТВ. Большое значение константы СТВ также играет значительную роль в спиновой динамике и релаксации, приводит к высокой чувствительности спиновой подсистемы эндофуллерена к таким характеристикам внешнего окружения как температура, полярность среды, статическое и переменное магнитные поля.

Нами был обнаружен ряд эффектов, включая следующие:

1. Значительное удлинение времен релаксации спиновой подсистемы, связанное с изоляцией диметалла от внешней среды клеткой фуллерена.
2. Высокая чувствительность относительного положения резонансных линий к изменению частоты микроволнового излучения (изменение СВЧ на десяток мегагерц в Х-диапазоне приводит к смещению некоторых соседних линий на единицы гаусс).
3. Зависимость скорости фазовой релаксации спина электрона от состояния спиновой системы ядер скандия. В диапазоне 250-300 К, найденные ширины линий ЭПР с высокой точностью описываются вращательной диффузией молекулы.
4. Наличие независимой вращательной диффузии клетки фуллерена и внутреннего фрагмента. Благодаря уникальным характеристикам, удалось проследить изменения динамики фуллерена и эндоэдрального фрагмента в зависимости от температуры (в диапазоне от 10 до 300 K).

Полученные экспериментальные результаты, включая спектральные и релаксационные характеристики, а также зависимость от приложенного внешнего магнитного поля и температуры, были с высокой точностью смоделированы на базе теоретической модели. В частности, для описания резонансных положений и ширин всех 64 линий в жидкой фазе понадобилось только 6 независимых параметров (средние значения g- и А-тензоров, параметры их анизотропии, время корреляции и дополнительный вклад в фазовой релаксации, не зависящий от магнитных ядер). Найденные данные позволили с высокой степенью точности проверить модель Вильсона-Кивельсона, а также выразить ряд Кивельсона через резонансную частоту линии ЭПР.

Высокая точность предсказания резонансных частот и широкий интервал распределения линий ЭПР позволили продемонстрировать возможность применения диметаллофуллерена Sc₂@C₈₀(CH₂Ph) в качестве стандарта для калибровки магнитного поля.

Схема проявления молекулярной динамики в спектрах ЭПР:

Публикации:

1. R. B. Zaripov, Y. E. Kandrashkin, K. M. Salikhov, B. Buchner, F. Liu, M. Rosenkranz, A. A. Popov and V. Kataev, Unusually large hyperfine structure of the elec-tron spin levels in an endohedral dimetallofullerene and its spin coherent properties, Nanoscale, 2020, 12, 20513–20521. DOI: 10.1039/d0nr06114j  (Q1)
2. Yuri E. Kandrashkin, Ruslan B. Zaripov, Fupin Liu, Bernd Büchner, Vladislav Kataev, Alexey A. Popov / Temperature-Dependent Dynamics of Endohedral Fullerene Sc2@C80(CH2Ph) Studied by EPR Spectroscopy // Physical Chemistry Chemical Physics, 2021, 23, 18206 – 18220  https://doi.org/10.1039/d1cp02237g  (Q1)
3. Yuri E. Kandrashkin, Ruslan B. Zaripov / Scandium dimetallofullerene with a single-electron metal–metal bond as a spectroscopic ruler for EPR measurements // Physical Chemistry Chemical Physics, 2022,  24, 19743 – 19752 https://doi.org/10.1039/D2CP02116A (Q1)

Работа выполнена при поддержке гранта РНФ  (Проект № 22-43-04424)

Направление ПФНИ – Физические науки 1.3.2.2. Структурные исследования конденсированных сред, связь структуры и свойств.

4.  Установлен механизм самосборки дипептида глицил-глицин в тонких пленках на поверхности под действием паров органических соединений и воды

Комплексом физических и физико-химических методов исследована самосборка дипептида глицил-глицин (GlyGly) в тонкой пленке. Показано, что при взаимодействии с парами сильных протонодоноров и протоноакцепторов происходит кристаллизация аморфных пленок GlyGly, нанесенных на все исследованные типы подложек (пирографит, слюда, монокристаллический кремний). Самосборка пленки GlyGly в парах таких органических соединений, как дихлорметан, хлороформ, тетрахлорметан и бензол происходит только в присутствии паров воды. Доказано, что в аморфной пленке дипептид находится в молекулярной форме, а в кристалле – в цвиттер-ионной форме. Установлен механизм образования кристаллических структур на основе GlyGly: молекулы воды инициируют переход из молекулярной формы дипептида в цвиттер-ионную, при этом общая энергия системы существенно уменьшается.

1. M.A. Ziganshin, A.S. Morozova, S.A. Ziganshina, V.V. Vorobev, K. Suwińska, A.A. Bukharaev, V.V. Gorbatchuk Additive and antagonistic effects of substrate and vapors on self-assembly of glycyl-glycine in thin films // Molecular Crystals and Liquid Crystals. – 2019. – V. 690, N1. – P. 67-83. DOI: 10.1080/15421406.2019.1683311
2. А.С. Морозова, С.А. Зиганшина, М.А. Зиганшин, А.А. Бухараев Самосборка олигопептидов ди- и триглицина в тонких пленках на поверхности гидрофильного и гидрофобного кремния под действием паров органических соединений // Журнал общей химии, 2022, том 92, № 7, С. 1109–1118. DOI: 10.31857/S0044460X22070150. Перевод: A.S. Morozova, S.A. Ziganshina, M. A. Ziganshin, A.A. Bukharaev Self-Organization of Di- and Triglycine Oligopeptides in Thin Films on the Hydrophilic and Hydrophobic Silicon Surface under Exposure to Organic Compounds Vapors // Russian Journal of General Chemistry. – 2022. – V. 92, No. 7. – P. 1271–1279. https://doi.org/10.1134/S1070363222070155
3. A.S. Morozova, S.A. Ziganshina, E.O. Kudryavtseva, N.V. Kurbatova, L.I. Savostina, A.A. Bukharaev, M.A. Ziganshin Water admixture triggers the self-assembly of the glycyl-glycine thin film at the presence of organic vapors // Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects. – 2022. V. 649. – ArtN 129541. https://doi.org/10.1016/j.colsurfa.2022.129541

Работа выполнена в рамках госзадания КФТИ ОСП ФИЦ КазНЦ РАН (Номер регистрации в ЕГИСУ 122011800132-5).

Направление ПФНИ – Физические науки 1.3.2.2 Структурные исследования конденсированных сред, связь структуры и свойств