Результаты 2024 года

Непрерывный двухфотонный квантовый каскадный лазер терагерцового диапазона.

Создан непрерывный двухфотонный терагерцовый квантовый каскадный лазер. Активной областью лазера является решетка GaAs/Al0.15Ga0.85As, каждый период которой содержит 4 квантовые ямы. Продемонстрирована широкополосная лазерная генерация в диапазоне 3.1-3.9 ТГц (104-130 см-1). Благодаря большой (7.34 нм) толщине инжекционного барьера созданный лазер имеет рекордно низкую пороговую плотностью тока < 100 A/см2 и возможность работы в непрерывном режиме вплоть до температуры 90 К. Перестройка частоты генерации созданного лазера осуществляется с помощью температуры и рабочего тока, что открывает перспективу его использования для спектроскопических приложений. GaAs/AlGaAs структура для ККЛ с рассчитанным дизайном выращивалась методом молекулярно-пучковой эпитаксии на подложке GaAs(001). На выращенной структуре формировались лазерные полоски с волноводом металл-металл с резонатором Фабри-Перо на сколах. Использована «классическая» для ТГц ККЛ схема зонной структуры активной области с 4 квантовыми ямами GaAs/Al0.15Ga0.85As в периоде структуры (общей толщиной 10 мкм) с резонансной инжекцией электронов на верхний лазерный уровень u с уровня i и быстрым опустошением нижнего лазерного уровня l за счет резонансного туннелирования на уровень экстрактора l → e и резонансного испускания оптического фонона ħω0 e → i’ (Рис.1). Введение в структуру промежуточного уровня m позволяет использовать инверсию населенностей между уровнями u и l для испускания двух фотонов разной энергии одним электроном на переходах u → m и m → l в каждом периоде структуры (рис. 1), что обеспечивает широкую полосу усиления и генерации. Низкая пороговая плотность тока и возможность работы в непрерывном режиме (рис.2) обеспечивается рекордно большой (7.34 нм) толщиной инжекционного (i → u) барьера (рис. 1).

Рис.1. Рассчитанная диаграмма зоны проводимости и квадраты модулей волновых функций электронов в структуре ККЛ при температуре T= 70 К и напряжении на периоде структуры 66 мВ. Стрелками обозначены излучательные переходы.	Рис.2. Вольт-амперные и излучательные характеристики ККЛ с шириной полоска 30 мкм и длиной 2.9 мм при различных температурах

Авторы:
Публикации:
R.A. Khabibullin, D.V. Ushakov, A.A .Afonenko, A.Yu. Pavlov, R.R. Galiev, D.S. Ponomarev, A.P. Vasilyev, A.G. Kuzmenkov, N.A. Maleev, F.I. Zubov, M.V. Maksimov, D.A. Belov, A.V. Ikonnikov, D.I. Kuritsyn, R.Kh. Zhukavin, K.A. Kovalevsky, V.A. Anfertev, V.L. Vaks, A.V. Antonov, A.A. Dubinov, S.V. Morozov, V.I. Gavrilenko. Continuous-wave two-photon terahertz quantum cascade laser. J. Appl. Phys. 136, 194504 (2024); doi: 10.1063/5.0230491.

Направления ПФНИ 2021-2030 гг., в рамках которого получен результат: 1.3.2.4, 1.3.2.5, 1.3.5.5.

Светоизлучающие диоды и транзисторы на диапазон длин волн 1,3-1,55 мкм для кремниевой фотоники

По совместимой с кремниевой интегральной технологией созданы латеральные светоизлучающие p-i-n диоды с Ge(Si) самоформирующимися островками на длины волн 1,3-1,55 мкм (рис. 1). Применение аморфизации имплантированных n+ и p+ контактных областей с последующей их твердофазной рекристаллизации при низкотемпературном (6000 С) отжиге позволило минимизировать негативное влияния процесса формирования диодов на интенсивность люминесценции островков при комнатной температуре. Встраивание в i-область светодиодов фотонного кристалла (ФК) увеличило выводимую мощность излучения на частотах мод ФК до 50 пВт (рис. 2), что представляет практический интерес для кремниевой фотоники.

Рис.1. Схематическое изображение латерального p-i-n светодиода с Ge(Si) островками, встроенными в ФК.	Рис.2. Спектры ЭЛ светодиода с Ge(Si) островками, встроенными в ФК, при различных токах накачки. На вставке показана зависимость мощности светодиода от тока накачки.

На примере структур Ge(Si) островками экспериментально продемонстрировано, что в полупроводниковых структурах с низкой подвижностью хотя бы одного типа носителей заряда возможна реализация латеральных светоизлучающих транзисторов с управлением пространственным распределением и спектром электролюминесценции за счет подачи напряжения на полевой затвор.

Авторы:
Публикации:
1. В.Б. Шмагин, А.В. Новиков, А.Н. Яблонский и др., «Планарные (латеральные) светоизлучающие диоды с Ge(Si) наноостровками, встроенными в фотонный кристалл», Письма ЖТФ 49(22), 12-15 (2023).
2. V.B. Shmagin, A.N. Yablonskiy, M.V. Stepikhova, et al., «Room-temperature light-emitting diodes with Ge(Si) nanoislands embedded in photonic crystals», Nanotechnology 35(16), 165203 (9) (2024).
3. A.N. Yablonskiy, V.B. Shmagin, V.E. Zakharov, et al., "Silicon-based light-emitting transistor with Ge(Si) nanoislands embedded in a photonic crystal: control of the spectrum and spatial distribution of the emission", Appl. Phys. Lett. 125, 231103 (2024).

Направления ПФНИ 2021-2030 гг, в рамках которого получен результат: 1.3.5.6, 1.3.2.5, 1.3.5.4, 1.3.2.2.

Динамический эффект Холла и фотонное увлечение сверхпроводящих конденсатов.

Построена феноменологическая теория эффекта фотонного увлечения в сверхпроводниках, проявляющегося в генерации постоянного электрического тока под действием наклонно падающего электромагнитного излучения (рис.1). Показано, что эффект обусловлен квадратичным откликом сверхпроводящего тока на поле волны, связанным с генерацией потенциала зарядового разбаланса и осцилляциями плотности сверхтекучих носителей заряда. Рассчитаны зависимости постоянного сверхпроводящего тока (рис.2) и отклика на второй гармонике от частоты и угла падения электромагнитного излучения. Предложены системы, оптимальные для экспериментального обнаружения предсказанных эффектов.

Рис.1. Иллюстрация постановки задачи. Электромагнитная волна с p поляризацией падает на полупространство.	Рис.2. Зависимость постоянного тока увлечения куперовских пар от частоты излучения для различных длин конверсии пар в квазичастицы.

Авторы:
Публикации:
1. В.Б. Шмагин, А.В. Новиков, А.Н. Яблонский и др., «Планарные (латеральные) светоизлучающие диоды с Ge(Si) наноостровками, встроенными в фотонный кристалл», Письма ЖТФ 49(22), 12-15 (2023).
2. V.B. Shmagin, A.N. Yablonskiy, M.V. Stepikhova, et al., «Room-temperature light-emitting diodes with Ge(Si) nanoislands embedded in photonic crystals», Nanotechnology 35(16), 165203 (9) (2024).
3. A.N. Yablonskiy, V.B. Shmagin, V.E. Zakharov, et al., "Silicon-based light-emitting transistor with Ge(Si) nanoislands embedded in a photonic crystal: control of the spectrum and spatial distribution of the emission", Appl. Phys. Lett. 125, 231103 (2024).

Направления ПФНИ 2021-2030 гг. в рамках которого получен результат: 1.3.2.7., 1.3.2.8.

Зеркальная рентгеновская оптика на основе монокристаллического кремния для синхротронов.

Разработана методика изготовления плоских, сферических и асферических подложек из монокристаллического кремния, обеспечивающая эффективную шероховатость в диапазоне пространственных частот 0,025-65 мкм-1 менее 0.2 нм и точность формы по параметру СКО на уровне 1 нм. Методика включает стадию химико-механической полировки, обеспечивающей одновременно шероховатость поверхности на уровне ведущих производителей кремниевых пластин для микроэлектроники и точность формы по параметру СКО меньше 10 нм, и ионно-пучковую обработку, обеспечивающую финальную полировку, асферизацию и коррекцию локальных ошибок формы. Для измерения формы поверхности подложек, в том числе асферических и крупногабаритных, чьи размеры превышают рабочую апертуру интерферометра, разработаны специальные методики, алгоритмы и программное обеспечение. Для финальной аттестации рентгенооптических характеристик зеркал разработан лабораторный стенд, позволяющий исследовать угловые ошибки отраженных волновых фронтов с чувствительностью лучше 1 мкрд. Методики продемонстрировала свою эффективность при разработке плоских, фокусирующих и коллимирующих зеркал для двухзеркального монохроматора и нанофокусирующей системы, разрабатываемых в ИФМ РАН для синхротрона СКИФ, а также для высокоразрешающего рентгеновского спектрометра лабораторного рефлектометра. Разработанные методы изготовления и метрологии находятся на уровне, близком к мировым лидерам, компании JTEC (Япония) и ZEISS (Германия), производящим зеркала из монокристаллического кремния для синхротронных применений.

Рис.1. Фото рентгеновских зеркал на основе монокристаллического кремния для двухзеркального монохроматора (слева) и нанофокусирующей системы (справа) синхротрона СКИФ

Авторы:
Публикации:
1. M.S. Mikhailenko et al., Applied Optics 61, 10 (2022).
2. M.S. Mikhailenko et al., «Microstructure of the subsurface layer formed in monocrystalline silicon during etching with Xe+ ions investigation», Appl. Surf. Sci. (under review)
3. A.E. Pestov et al., «A technique for forming substrates for grazing incidence X-ray mirrors with cylindrical surface profiles», Appl. Opt. (under review)
4. Petrakov E.V., et al., «Effective filtering of diffraction rings on surface maps of high-precision X-ray mirrors as reconstructed from high-coherence interferometry data», Optical Engineering 63, 114104 (2024).
5. Petrakov E.V. et al. «Metrology of the shape of large-size and aspherical x-ray mirrors with subnanometer accuracy», J. Surf. Investig. (принята в печать)
6. Reunov D.G. et al., «Stand for certification of X-ray optical elements and systems for synchrotron applications», J. Surf. Investig. (принята в печать)
7. Михайленко М.С., и др., «Способ осесимметричной коррекции оптических деталей произвольной формы.» Патент номер RU 2793080 C1. Приоритет 29.09.2022.

Направление ПФНИ 2021-2030 гг., в рамках которого получен результат: 1.3.2.6., 1.3.5.4., 1.3.2.2.

Управление хиральностью (спиральностью) магнитных вихрей и скирмионов в наноструктурах.

Разработаны методы получения ферромагнитных структур с вихревым и многовихревым распределением намагниченности для СВЧ-элементов на основе туннельных магнитных контактов - спин-трансферных наноосцилляторов. Предложен дизайн магнитных наноструктур, позволяющий реализовывать в них обменно связанные многовихревые магнитные состояния с возможностью переключения хиральности магнитных вихрей внешним магнитным полем контролируемым образом (рис. 1е). В планарных структурах с решеткой ферромагнетик/тяжелый металл (Со/Pt) получены магнитные скирмионы заданной спиральности от неелевского до блоховского типа путем воздействия фокусированным пучком ионов гелия (рис.1 (а-г)). Экспериментально определена связь типа спиральности с дозой и площадью облучения (рис. 1д), обусловленная балансом энергий магнитной анизотропии, поверхностного взаимодействия Дзялошинского-Мория и магнитостатической энергии скирмиона.

Рис.1. Френелевский контраст полученный методом просвечивающей электронной микроскопии от скримионов неелевского (а), блоховского (б) и гибридного типа (в,г); диаграмма типа скримиона в зависимости от диаметра и дозы облучения ионами гелия (д); многовихревые состояния в паттернированной структуре «диски-нанопроволока» (е).

Авторы:
Публикации:
1. D.A. Tatarskiy, et al., «Direct observation of skyrmions with arbitrary helicity in patterned Co/Pt multilayers», Phys. Rev. B. 110, 064415 (2024).
2. D.A. Tatarskiy, et al., «Magnetic vortex states manipulation in overlapping ferromagnetic disks», Journal of Magnetism and Magnetic Materials 590, 171580 (2024).
3. Д. А. Татарский, и др., «Получение неодносвязных магнитных паттернированных мезочастиц с помощью электронной литографии», ЖТФ 94(7), 1036 (2024)
4. Д.А. Татарский и др., «Управление хиральностью магнитных вихрей в системе ферромагнитный диск-нанопроволока», Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования, № 6. С. 56-61 (2024).

Направление ПФНИ 2021-2030 гг., в рамках которого получен результат: 1.3.2.3.