• Теоретические исследования волновых процессов в твердотельных магнитных материалах и структурах

  Руководитель направления Шавров Владимир Григорьевич гл. науч. сотр., д.ф.-м.н., профессор эл. почта: shavrov@cplire.ru

  
  

• Новые твердотельные функциональные материалы с фазовыми превращениями для применений в мехатронике, калоритронике, спинтронике, нанотехнологии

  Руководитель направления Коледов Виктор Викторович в.н.с., д.ф.-м.н. эл. почта: victor_koledov@mail.ru

  
  

• Свойства новых материалов и структур в сильных магнитных полях

  Руководитель направления Маширов Алексей Викторович с.н.с., к.ф.-м.н. эл. почта: a.v.mashirov@mail.ru

  
  

• Магнитная сенсорика

  Руководитель направления Ветошко Петр Михайлович с.н.с., к.ф.-м.н. эл. почта: pvetoshko@mail.ru

  
  

• Создание и исследования новых материалов с эффектом памяти формы для приборостроения и медицины
  (cовместно с ООО «Промышленный центр МАТЭК-СПФ» «Matek-Sma Ltd.»)

• Исследования новых магнитных, сверхпроводящих и магнитокалорических материалов для применений в перспективных криогенных и магнитолевитационных транспортных системах
  

• Ведется разработка рекордных по миниатюрности микромеханических инструментов (см. рис. 1) на основе сплавов с эффектом памяти формы для применений в технологии микро- и наносборки для электроники, био-технологии и медицины

  

  Рис. 1. Захват нанопроволоки полупроводника ZnO нанопинцетом из сплава с эффектом памяти формы в камере сканирующего электронного микроскопа.

  Создано малое инновационное предприятие ООО «Наноактюатор» для выведения на рынок новых технологий микро- и наносборки на основе микромеханических инструментов с эффектом памяти формы.

• Экспериментальная установка для исследования новых материалов с сильных магнитных полях на основе сверхпроводящего магнита 10 Тл при температурах от 300 до 2 К

  

  Криомагнитная установка для исследования магнитных и транспортных свойств материалов при температурах от 300 до 2 К.

  

  Установка для исследования свойств новых материалов в магнитных полях до 10 Тл.

• Новый тип “темных” состояний в спектре радиационных магнонных поляронов
  

  На примере акустически открытой слоистой магнитной гетероструктуры впервые теоретически показано, что в фононном поле излучения радиационных магнонных поляронов даже для акустически субволнового магнитного слоя возможен новый тип интерференционных связанных состояний в континууме (“темных” состояний). Необходимым условием его формирования является наличие на границе раздела немагнитной и магнитной сред эласто-дипольного механизма магнитоакустического двулучепреломления за счет смены полостей поверхности рефракции спектра нормальных магнитоакустических волн (рис.1). Это приводит к деструктивной интерференции радиационных полей в открытом канале излучения поперечных фононов вытекающим магнонным поляроном и, как следствие, к формированию соответствующего типа “темных” состояний.

  Рис. 1. Изменение с ростом частоты топологии сечения плоскостью падения поверхности волновых векторов нормальной магнитоакустической волны для легкоосного (OZ) антиферромагнетика с симметричным взаимодействием Дзялошинского (сплошные линии). Для немагнитного упругоизотропного диэлектрика - штриховая линия (в этом же случае должна быть не одна, а серия из пяти концентрических окружностей). Кривые 2,4 отвечают эласто-дипольному механизму магнитоакустического двулучепреломления со сменой полости рефракции.

  Публикации:
  

  • С. В. Тарасенко, В. Г. Шавров, “Новый тип “темных” состояний в спектре радиационных магнонных поляронов”, Письма в ЖЭТФ, 115, 94 (2022)

• Обнаружение критического поведения магнитоструктурного фазового перехода сплава Гейслера Ni-Mn-Ga в сильных магнитных полях
  

  Связанные магнитные и структурные фазовые переходы (ФП) в сплавах Гейслера системы Ni-Mn-Ga по температуре, механическому напряжению и полю приводят к ряду ярких эффектов, таких, как гигантский магнитокалорический эффект, эластокалорический эффект и магнитоуправляемый эффект памяти формы. Прямые экспериментальные исследования магнитоструктурного ФП в сплаве Ni2.16Mn0.84Ga в сильных импульсных полях до 50 Тл показали, что исчезновение температурного гистерезиса физических свойств в трикритической точке достигается при температурах выше 324 К и магнитных полях выше 30 Тл (см. Рис 1 а). В этом случае магнитоструктурный ФП протекает аналогично ФП второго рода, что также подтверждается экспериментальными данными. Критическое поведение магнитостукруного перехода в поле предсказано с помощью феноменологического подхода, основанного на теории Ландау (см. Рис. 1 б), Экспериментально и теоретически, полученные результаты могут стимулировать новые исследования в области обратимых ФП и реализации магнитокалорического эффекта и магнитоуправляемого эффекта памяти формы в сплавах с редуцированным тепловым гистерезисом при магнитоструктурном ФП в минимальных полях

  Рис. 1. Трикритическая точка магнитоструктурного ФП сплава Гейслера Ni-Mn-Ga. (а) Экспериментальные измерения фазовой (Т – Н) диаграммы сплава Ni_2.16Mn_0.84Ga. (б) Результаты теоретического расчета зависимостей тетрагональной деформации в сплаве Гейслера в окрестности трикритической точки.

  Публикации:
  

  • Yu.S. Koshkid’ko, E.T. Dilmieva, A.P. Kamantsev, J. Cwik, K. Rogacki, A.V. Mashirov, V.V. Khovaylo, C. Salazar Mejia, M.A. Zagrebin, V.V. Sokolovskiy, V.D. Buchelnikov, P. Ari-Gur, P. Bhale, V.G. Shavrov, V.V. Koledov. Magnetocaloric effect and magnetic phase diagram of Ni-Mn-Ga Heusler alloy in steady and pulsed magnetic fields. Journal of Alloys and Compounds, Vol. 905, pp. 164051 (2022)

• Эластокалорический эффект в быстрозакаленном сплаве Ti₂NiCu при периодическом воздействии растягивающей силы с частотой до 50 Hz
  

  Изучен эластокалорический эффект (ЭКЭ) в образцах быстрозакаленных лент сплава Ti₂NiCu, при периодическом воздействии механическим напряжением до 300MPa с частотой до 50Hz. ЭКЭ максимален вблизи температур термоупругого мартенситного фазового перехода первого рода (см. Рис. 1). Максимальное значение ЭКЭ наблюдалось в точке, соответствующей завершению обратного мартенситного перехода (T = 67.5 °C), и составило 21 и 6K при циклических механических нагрузках в 300 и 100MPa соответственно. Показано, что величина ЭКЭ не зависит от частоты внешнего воздействия в диапазоне от 0 до 50Hz. Экспериментальные данные и результаты теоретического расчета находятся в хорошем согласии. Сделана оценка удельной мощности быстрозакаленной ленты как преобразователя тепловой энергии при внешнем механическом напряжении величиной 100MPa, ее величина составила 150W/g при частоте 50Hz, ЭКЭ составляет 6K).

  

  Рисунок 1. Временная зависимость температуры образца сплава Ti₂NiCu при периодическом воздействии внешней силы.

  Публикации:
  

  • Е.В. Морозов, С.Ю. Федотов, А.В. Петров, М.С. Быбик. Т.А. Кули-заде, И.А. Знаменска, В.В.Коледов, В.Г.Шавров. Эластокалорический эффект в быстрозакаленном сплаве Ti2NiCu при периодическом воздействии растягивающей силы с частотой до 50 Hz. Физика твердого тела, 2020, том 62, вып. 6, стр. 864.
  • Morozov, E., Kuznetsov, D., Kalashnikov, V., Victor, K., & Shavrov, V. (2021). Thermoelastic Properties and Elastocaloric Effect in Rapidly Quenched Ribbons of Ti2NiCu Alloy in the Amorphous and Crystalline State. Crystals, 11(8), 949

• Рекордный магнитокалорический эффект в соединении MnAs
  

  Магнитокалорический эффект (МКЭ) в монокристаллах соединения MnAs изучен экспериментально, и теоретически. Прямое измерение MКЭ показало, что адиабатическое изменение температуры (∆Tad) в магнитном поле 10 Тл составило 15 К. А прямое измерение квазиадиабатического теплообмена (∆Q) образца дало значение 9500 Дж / кг в магнитном поле 10 Тл. На сегодняшний день это самое высокое значение, зарегистрированное в прямом эксперименте для ∆Q среди твердотельных магнитных материалов. Гигантское значение МКЭ объяснено на основе феноменологической теории, учитывающей взаимодействие магнитного и структурного параметров порядка. Ранее в ИРЭ им. В.А.Котельникова РАН предложен наиболее достоверного способ прямого экспериментального измерения МКЭ в квазиизотермическом режиме (∆Q-эффект). В процессе поиска наиболее перспективных функциональных материалов с самыми высокими значениями МКЭ, установлено, что рекордным значением в поле 10 Тл по МКЭ в адиабатических условиях обладает Gd. Однако, по значениям МКЭ в квазиизотермических условиях, рекордным оказалось соединение MnAs. Прямое измерение MКЭ показало, что в нем адиабатическое изменение температуры (∆Tad) в магнитном поле 10 Тл составляло 15 К , но прямое измерение квазиизотермического теплообмена (∆Q) образца MnAs дало значение 9500 Дж / кг в магнитном поле 10 Тл выше, чем у Gd (см. рис. 1). Теоретический анализ в рамках феноменологической теории показывает, что гигантское значение МКЭ в MnAs в изотермических условиях, есть следствие взаимодействия структурного и магнитного параметров порядка магнитоструктурного фазового перехода в данном соединении.

  

  Рис. 1. Температурная зависимость ∆Q, измеренная при увеличении магнитного поля от 0 до 10 Т. Треугольники относятся к значениям ∆Q при нагревании образца, кружки при охлаждении образца. Сплошные линии показывают значения ∆Q, рассчитанный по модели. Вставка: медный блок в термоконтакте с образцом (MnAs) для измерения ∆Q.

  Публикации:
  

  • Yu.S. Koshkid'ko, E.T. Dilmieva, J. Cwik, K. Rogacki, D. Kowalska, A.P. Kamantsev, V.V. Koledov, A.V. Mashirov, V.G. Shavrov, V.I. Valkov, A.V. Golovchan, A.P. Sivachenko , S.N. Shevyrtalov, V.V. Rodionova, I.V. Shchetinin, V. Sampath. Giant reversible adiabatic tempera-ture change and isothermal heat transfer of MnAs single crystals studied by direct method in high magnetic fields. Journal of Alloys and Compounds 798 (2019) 810e819

• Эффекты интерференционного усиления и незеркальной рефракции магнонов в системе обменносвязанных АФМ слоев
  

  Впервые показано теоретически, что в системе плоских обменносвязанных антиферромагнитных слоев (АФМ) с центром и без центра инверсии гибридизация волноводных и антиволноводных режимов распространения спиновых волн индуцирует интерференционный механизм резонансного усиления как амплитуды эванесцентных магнонов, так и сопутствующих эффектов незеркальной спин-волновой рефракции первого порядка при прохождении и (или) отражении (в том числе, и в случае магнонного аналога резонанса Фано) не только для наклонно, но и для нормально падающей извне квазиплоской объемной спиновой волны .
  В магнонике последних лет, значительное внимание стало уделяться и анализу перспектив использования в спинтронике как синтетических АФМ структур, так и собственно АФМ сред, демонстрирующих уже и в рамках однофазной среды значительное многообразие физических свойств, включая: магнитоэлектрический эффект, пространственно модулированные структуры и т.д. Одновременно особую важность приобрел анализ незеркальных эффектов (в первую очередь, эффектов Гуса –Хенхен) при отражении и прохождении остронаправленных магнонных пучков через многокомпонентные обменносвязанные слоистые структуры, как эффективного инструмента для изучения межслоевых взаимодействий. В [1] впервые показано, что в случае формирования в находящейся в несимметричном окружении магнитной-сэндвич структуре из обменносвязанных АФМ слоев слабовытекающей в сопряженную внешнюю среду поверхностной или объемной обменной спиновой волны ее амплитуда может быть резонансно усилена падающей из этой внешней среды плоской объемной спиновой волной. Это условие усиления одновременно является также и условием резонансного туннелирования такой падающей объемной обменной спиновой волны через указанную симметричную магнитную сэндвич-структуру если она находится в симметричном окружении. Если падающая объемная спиновая волна является не плоской, а квазиплоской то для нее и при отражении и при прохождении в окрестности указанных резонансов резко усиливаются незеркальные эффекты первого порядка (пространственный (Δ) и угловой (S) эффекты Гуса –Хенхен). При отсутствии центра симметрии в плоскости границы раздела слоев эффекты становятся невзаимными относительно инверсии знака угла падения и могут наблюдаться не только в случае наклонно, но и нормально падающего спин-волнового пучка (см. Рис), а также при спин-волновом аналоге резонанса Фано .

  

  Рис. 1 Случай нормального падения квазиплоской объемной спиновой волны на АФМ слой

  Публикации:
  

  • С. В. Тарасенко, В. Г. Шавров, Письма в ЖЭТФ, 109:6 (2019), 393–400

• Магнитоструткруный фазовый переход в сплаве Гейслера NiMnGaCu на наноуровне толщины образца
  

  Было установлено экспериментально, что по данным микродифракции ПЭМ при температурах 298-363 K уменьшение размеров образца (ламели сплава Ni50Mn18.5Ga25Cu6.5) до нанометров приводит к увеличению характерных температур магнитоструктурного фазового перехода. В нанометровой области ламели в материнской аустениной фазе зарождается мартенсит с наведенным внутренним напряжением – наномартенсит. Был продемонстрирован эффект памяти формы в ферромагнитном микрообразце сплава Гейслера Ni50Mn18.5Ga25Cu6.5. Микрообразец был изготовлен при помощи технологии фокусированного ионного пучка и имеет габаритные размеры 23 × 1.28 × 4 μm. Было обнаружено, что значение упругой деформации в мартенситной фазе превышает значение эффекта памяти формы, в основе которого лежит остаточная деформация за счет двойникования. При помощи фокусированного ионного пучка (ФИП) в камере сканирующего ионного микроскопа FEI Strata 201 из образца Ni50Mn18.5Ga25Cu6.5 была вытравлена ламель. Ламель была помещена на сеточку ПЭМ при помощи иглы наноманипулятора Omniprobe и припаяна слоем платины. Ламель Ni50Mn18.5Ga25Cu6.5 толщиной около 5 мкм имела клинообразную форму, сужающуюся с толщины около 3 мкм до 10 нм под углом 10 градусов (рис. 1). Уменьшение размеров ламели до нанометров приводит к увеличению роли внутренних напряжений, возникающих за счет сил поверхностного натяжения. Значения внутренних напряжений тогда сопоставимы с порядком единиц Мпа. В нанометровой области ламели в материнской аустениной фазе зарождается мартенсит с наведенным внутренним напряжением – наномартенсит. Такие области могут влиять на характеристики функционирования микроэлектромеханических систем, где будут применяться исследуемые сплавы Гейслера.

  а)	б)	в)

  Рис. 1 Структуры нанообразца сплава Гейслера в зависимсоти от толщины пластины (ламели). (а) СЭМ микрофотография ламели сплава Ni₅₀Mn_18.5Ga₂₅Cu_6.5 клинообразной формы толщиной от 3 мкм до 10 нм, б – микроэлектронная дифракция структуры образца после охлаждения до 310 K в тонкой области имеет моноклинную, в - толстая область имеет кубическую решетку.

  Публикации:
  

  • Mashirov, A., Artemy, I., Tabachkova, N., Milovich, F., Kamantsev, A., Zhao, D., Liu, J., Kolesnikova, V., Rodionova, V. and Koledov, V.V., Magnetostructural phase transition in Ni-Mn-Ga-Cu alloy at micro-and nanosize levels. IEEE Magnetics Letters. 10 (2019) 6107404

• Магнитооптические свойства ультратонких нанокристаллических пленок фиррит-гранатов в интервале температур от 8K до 300K
  

  С применением оригинальной методики впервые проведены исследования оптических, магнитных и магнитооптических характеристики сверхтонких пленок магнитных диэлектриков с толщинами от 0, до 10 нм в температурном интервале от 300 до 8 К. Обнаружено, что при комнатной температуре в пленках висмутсодержащих феррит-гранатов с содержанием ионов галлия на уровне 1 формульной единицы появляется в пленках с толщиной на уровне 5 нм. Образцы толщиной на уровне 4 нм в температурном интервале от 8 до 100 К демонстрируют температурную зависимость эффекта магнитного кругового дихроизма, характерную для ферримагнитных пленок феррит-гранатов с толщинами от 10 нм до 500 нм. В температурном интервале от 100 до 210 нм наблюдается суперпарамагнитное поведение пленок указанной толщины. В пленках толщиной на уровне 2 нм наблюдается только суперпарамагнитное поведение пленок в температурном интервале от 8 до 160 К. Температурные зависимости магнитного кругового дихроизма (МКД) двух исследованных образцов номинального состава Bi₂Dy₁Fe₄Ga₁O₁₂ приведены на рисунках 1а и 1б.

  а)	б)

  Рис. 1. Температурные зависимости величины МКД пленок феррит-граната состава Bi₂Dy₁Fe₄Ga₁O₁₂ с толщинами на уровне 4 нм (а) и 2 нм (б) на длине волны 440 нм. Шкала чувствительности дихрографа 1∙10^-6.

  Публикации:
  

  • V. A. KOTOV, V. G. SHAVROV, A. F. POPKOV, M. VASILIEV, K. ALAMEH, M. NUR-E-ALAM, L. N. ALYABIEVA, D. E. BALABANOV, V. I. BURKOV AND M. K. VIRCHENKO, Magneto-optic properties of ultrathin nanocrystalline ferrite garnet films in the 8K to 300K temperature interval, Journal of Nanomaterials, Volume 2018, Article ID 7605620

• Модифицированное уравнение Клапейрона-Клаузиуса для объяснения критических явлений вблизи метамагнитоструктурного перехода в сплавах Гейслера NiMnIn
  

  В результате обобщения экспериментальных результатов предложено новое объяснение эффекту блокировки метамагнитоструктурного перехода в сплавах Гейслера Ni-Mn-In(Co, B) в сильном магнитном поле. Построена теоретическая модель, количественно объясняющая расширение температурного гистерезиса и блокировку метамагнитоструктурного перехода первого рода в достаточно сильном поле с учетом членов третьего порядка в разложении свободной энергии сплава по полю и температуре в уравнении Клапейрона-Клаузиуса. Ранее этот эффект объяснялся кинетическими свойствами перехода и получил название «кинетический арест».
  Экспериментально изучены эффекты влияния сильных магнитных полей на термоупругое мартенситное структурное превращение в сплавах Гейслера Ni-Mn-In(Co, B), в которых структурное фазовое превращение имеет черты метамагнитного, то есть сопровождается также переходом из ферро- в антиферромагнитное состояние при понижении температуры. С повышение напряженности внешнего магнитного поля температурный гистерезис метамагнитоструктурного перехода расширяется и затем переход блокируется (рис. 1 ). Ранее этот эффект связывали с кинетикой перехода и он получил название «кинетический арест». В результате обобщения экспериментальных результатов предложено новое объяснение этому эффекту, построена теоретическия модель, количественно объясняющая расширение температурного гистерезиса и блокировку метамагнитоструктурного перехода в сплавах Ni-Mn-In(Co, B) в достаточно сильном поле с учетом членов третьего порядка в разложении свободной энергии по полю и по температуре в уравнении Клапейрона-Клаузиуса.

  

  Рис. 1. Сравнение экспериментальных данных с расчетами по модифицированной формуле Клапейрона-Клаузиуса. Температуры Tbot и Ttop (Н) – экспериментальные данные зависимости характерных температур метамагнитоструктурного перехода первого рода от магнитного поля., а вычисленные значения — штриховые линии, для образца Ni_45,4Mn_40,9In_13,7.

  Публикации:
  

  • Koshkid'ko, Y., Pandey, S., Quetz, A., Aryal, A., Dubenko, I., Cwik, J., Dilmieva, E., Granovsky, A., Lähderanta, E., Stadler, S. and Ali, N., 2018. Kinetic effects in the magnetic and magnetocaloric properties of metamagnetic Ni50Mn35In14.25B0.75. Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 459, pp.98-101
  • Dilmieva, E.T., KoshkidKo, Y.S., Kamantsev, A.P., Koledov, V.V., Mashirov, A.V., Shavrov, V.G., Khovaylo, V.V., Lyange, M.V., Cwik, J., Gonzalez-Legarreta, L. and Grande, H.B., 2017. Research of Magnetocaloric Effect For Ni-Mn-In-Co Heusler Alloys by the Direct Methods in Magnetic Fields Up to 14 T. IEEE Transactions on Magnetics, 53(11), pp.1-5
  • Mashirov, A.V., Kamantsev, A.P., Koshelev, A.V., Ovchenkov, E.A., Dilmieva, E.T., Los, A.S., Aliev, A.M., Koledov, V.V. and Shavrov, V.G., 2017. Revision of Clausius–Clapeyron Relation for the First-Order Phase Transition in Ni–Mn–In Heusler Alloys. IEEE Transactions on Magnetics, 53(11), pp.1-4

Созданы две совместные научно-исследовательские лаборатории:

• Исследовательская лаборатория «Физики магнитных явлений». Челябинский государственный университет & ИРЭ им.В.А. Котельникова РАН. Соруководители: д.ф.-м.н., профессор В.Д. Бучельников, д.ф.-м.н., профессор В.Г.Шавров
• Учебно-научная лаборатория «Магнитной электроники» Новгородский государственный университет им. Ярослава Мудрого & ИРЭ им.В.А. Котельникова РАН. Соруководители: д.ф.-м.н., профессор М.И. Бичурин, д.ф.-м.н., профессор В.Г.Шавров

Выполняемые гранты:

• “Фундаментальные основы криогенной и сверхпроводниковой техники нового поколения на основе фазовых переходов в магнитных полях”, Проект РНФ № 20-19-00745, Руководитель проекта: Шавров В. Г.
• «Фазовые превращения и гигантские эффекты в новых функциональных наноматериалах», Проект РНФ № 22-19-00783 , Руководитель: Коледов В.В.
• «Теория и расчет твердотельных криогенных охладителей на основе магнитокалорического эффекта», Проект РНФ № 20-79-10197, Руководитель проекта: Маширов А. В.
• «Разработка серии высокоэффективных магнитокалорических материалов на основе La(Fe1-xSix)13 для каскадной системы магнитного охлаждения в области криогенных температур (77-150 К)», Проект РНФ № 22-29-01201, Руководитель проекта: Каманцев А. П.