Центр коллективного пользования ФИАН

Центр коллективного пользования «Исследование высокотемпературных сверхпроводников и других сильно-коррелированных электронных систем» (ЦКП ФИАН) работает в Физическом институте им. П.Н. Лебедева с 2004 года. ЦКП ФИАН был образован на базе Лаборатории сильно-коррелированных электронных систем, Лаборатории сверхпроводимости и Лаборатории физики полупроводников (Отделение физики твердого тела ФИАН). Решением Бюро ОФН РАН,  тогда же, в 2004-м, ЦКП ФИАН был включен в систему Центров коллективного пользования Российской академии наук. В 2006 году в состав Центра в качестве ассоциированных членов вошли лаборатории Института физики твердого тела РАН (ИФТТ РАН), Института проблем химической физики РАН (ИПХФ РАН) и Института радиоэлектроники им. В.А. Котельникова РАН (ИРЭ РАН) и, позднее, Московского педагогического государственного университета (МПГУ). ЦКП действует под научным управлением Совета руководителей подразделений, включающего представителей всех этих организаций.

Создание Центра преследовало несколько целей: проведение собственных фундаментальных исследований по крупным проектам силами объединенного творческого коллектива; предоставление «внешним» научным пользователям возможности проведения экспериментов на комплексе оборудования ЦКП; подготовка квалифицированных научных кадров, и наконец, создание центра для кооринации работ в области высокотемпературной сверхпроводимости, в частности, «слаботочной сверхпроводимости» в России.

Направление научных работ ЦКП ФИАН
Опыт работ
Фундаментальные исследования двумерных и одномерных систем
Создание и исследование новых материалов
Разработка и исследование элементов наноэлектроники, нанофотоники и наномеханики на основе сверхпроводников
Предоставление внешним пользователям доступа к уникальному оборудованию ЦКП ФИАН
Разработка новых методов и аппаратуры для прецизионных и высокочувствительных измерений
Проблемы сферы высокотехнологичных услуг
Комплекс оборудования ЦКП ФИАН
Подготовка научных кадров в ЦКП ФИАН

Направление научных работ ЦКП ФИАН
Основные собственные работы ЦКП ФИАН сосредоточены в области сильно-коррелированных систем: синтез и исследование свойств новых высокотемпературных сверхпроводников, исследование сверхпроводниковых наноструктур, исследование мезоскопических, микро- и нано-систем, а также новых материалов для элементной базы электроники и квантовых компьютеров; исследование низкоразмерных электронных систем в полупроводниках; исследование органических материалов; исследование эффектов сильных межэлектронных корреляций.

В выборе научной тематики и направлений исследований Центра ключевую роль сыграла позиция академика В.Л. Гинзбурга. Именно он предложил заняться новой крупномасштабной задачей – сверхпроводимостью в фундаментальном смысле, поиском сверхпроводников, которые могли бы работать при комнатной температуре. Это длительная задача, предполагающая переобучение персонала, подготовку студентов, развитие новых экспериментальных методов, использование нового оборудования и, наконец, развитие теории. Многое сделал В.Л. Гинзбург и для материальной поддержки оснащения ЦКП. Т.о., в фокусе собственных исследований Центра стоит задача, которую поставил В.Л. Гинзбург и которую он считал одной из важнейших среди фундаментальных проблем физики XXI века.

Опыт работ
За время существования ЦКП ФИАН его коллектив выполнил большое число (около 30) проектов – контрактов Министерства образования и науки РФ, проектов РФФИ, Программ РАН. Большая часть этих исследований была направлена на создание новых высокотемпературных сверхпроводниковых материалов, исследование коллективных эффектов в низкоразмерных системах, развитие технологии низкоразмерных систем и структур, создание приборов на основе таких систем.
В последние годы сотрудниками ЦКП проведен ряд важных работ, результаты которых неоднократно входили в перечень основных достижений РАН.

Фундаментальные исследования двумерных и одномерных систем
При исследовании переход металл-диэлектрик в двумерной системе проведена экспериментальная проверка теории двухпараметрической масштабной инвариантности. В сотрудничестве с Институтом Технион (Хайфа, Израиль) впервые проведены измерения спиновой намагниченности электронов в пределе слабого поля, много меньшего температуры, и выявлены новые неизвестные ранее свойства спиновой намагниченности двумерной системы электронов. Впервые измерена скорость междолинных безфононных (упругих) переходов в двумерной двухдолинной системе электронов на поверхности Si.

В одномерных органических материалах (TMTSF)₂PF₆ выявлен неизвестный ранее характер фазового перехода «волна спиновой плотности (антиферромагнитный изолятор)-металл». Обнаружено, что вблизи границы раздела сверхпроводящей, антиферромагнитной и парамагнитной фаз спонтанно возникает стационарное гетерофазное состояние с пространственным разделением различных фаз, а проводимость демонстрирует эффекты “истории” и гистерезиса. Экспериментально установлена нетривиальная природа спинового упорядочения в квазиодномерном соединении (TMTSF)₂PF₆ и выяснена природа осцилляций магнитосопротивления в этой антиферромагнитной фазе изолятора.

Создание и исследование новых материалов
Совместно с Институтом физики высоких давлений (ИФВД) РАН созданы новые сверхпроводящие материалы на основе арсенидов железа с редкоземельными элементами (Gd, Dy, Eu, Ce), сочетающие сверхпроводящие и магнитные свойства и обладающие высокими значениями критического магнитного поля, более 100 Тл. Материалы с подобными свойствами представляют интерес для применений в технике сильных магнитных полей, а также для спинтроники. В сотрудничестве с МГУ впервые измерены энергетические щели в спектре этих сверхпроводников.

В ЦКП совершенствуются методы вакуумного напыления, магнетронного и лазерного осаждения, выращивания кристаллов, твердофазного синтеза материалов в атомосфере инертного газа. Специалисты Центра разработали лучшие в России технологии получения пленок купратных ВТСП, и есть много желающих получить эти пленки для своих исследований. В настоящее время монтируется установка для лазерного напыления пленок с эксимерным лазером. В сфере интересов ЦКП пленки, гетероструктуры и объемные образцы материалов – металлы, полупроводники, диэлектрики, и высокотемпературные сверхпроводники.

В сотрудничестве с ИПХФ РАН созданы новые гибридные материалы, сочетающие проводимость (или сверхпроводимость) и магнетизм. Сочетание проводимости и магнетизма в кристаллах катион-радикальных солей и их синергизм приводят к уникальным молекулярным материалам и новым физическим свойствам. Так, необычные особенности, связанные с p-d-взаимодействием между двумя подсистемами (проводящей и магнитной) обнаружены в кристаллах солей BETS и BDA-TTP с парамагнитным анионом FeCl₄. Более того, в кристаллах λ-(BETS)₂FeCl₄ и κ-(BETS)₂FeCl₄ была найдена сверхпроводимость, индуцированная магнитным полем. В практическом плане материалы с такими свойствами представляют большой интерес как возможные объекты спинтроники, так как они обладают гигантским магнитосопротивлением.

Разработка и исследование элементов наноэлектроники, нанофотоники и наномеханики на основе сверхпроводников
В сотрудничестве с фирмой NEC (Япония) создан сверхчувствительный нано-электронномеханический преобразователь механических колебаний в электрические. В качестве детектора малых амплитуд наномеханического резонатора использован сверхпроводниковый одноэлектронный транзистор. Созданное на его основе и уже работающее устройство – квантовая система, имеющая механическую степень свободы – представляет собой принципиально новый класс приборов. Это устройство можно использовать в качестве детектора сверхмалых механических колебаний или детектора малых масс, например, таких как масса одной молекулы. Разработка открывает абсолютно новый класс приборов, возможности которых могут быть использованы как в фундаментальных исследованиях, так и в нанотехнологиях. Устройство применимо в экспериментах, связанных с квантовыми измерениями, в электрометрии, метрологии.

В сотрудничестве с МПГУ созданы макетные образцы сверхпроводниковых смесителей и однофотонных болометров на основе NbN, исследованы их характеристики. Совместно с ИРЭ РАН ведется разработка малошумящих сверхпроводниковых тонкопленочных элементов оксидной электроники. Благодаря относительной легкости охлаждения, устройства на оксидных сверхпроводниках могут быть мобильными или даже портативными. Результаты исследования детекторов субмиллиметрового излучения на основе джосефсоновских переходов из ВТСП-пленок на бикристаллических подложках указывают на возможность применения ВТСП-детекторов в диапазоне терагерцовых волн. Разработана методика получения новых гибридных гетероструктур, имеющих малые потери на высоких частотах. Такие ВТСП-гетероструктуры могут быть использованы при построении элементарных ячеек (кубитов) квантовых компьютеров. Эксперименты с гибридными ВТСП-гетероструктурами с антиферромагнитной прослойкой показали, что такие структуры обладают высокой чувствительностью к внешнему магнитному полю. Это свойство может быть применено для решения ряда прикладных задач, например, для повышения чувствительности СКВИДов.

Предоставление внешним пользователям доступа к уникальному оборудованию ЦКП ФИАН
Второй (но отнюдь не менее важной) задачей ЦКП ФИАН является «создание максимально благоприятных организационных условий для использования уникального оборудования ЦКП заинтересованными пользователями из научных институтов РАН, отраслевых НИИ, ВУЗов и других организаций, ведущих разработки в области высоких технологий». Услугами Центра могут пользоваться научные организации, отдельные научные коллективы или индивидуальные исследователи. Центр может также выполнять работы для любых организаций и учреждений на договорной основе. Порядок выполнения заявок на измерения регламентируется «Положением о ЦКП».

Выполнение услуг сторонним организациям занимает более половины времени работы оборудования Центра. Загрузка многих единиц оборудования практически стопроцентная – ежегодно ЦКП обслуживает около пятидесяти различных пользователей. Нашими пользователями и заказчиками являются, в основном, академические и отраслевые институты, реже инновационные организации, как правило, отпочковавшиеся от научных институтов. Из 464 уже оказанных Центром в 2010 году услуг 187 услуг на сумму около 7 млн. рублей приходится на 42 внешних Российских заказчика. Есть и иностранные пользователи ЦКП, работа с которыми со временем превращается в совместные исследования. Это Университет Ратгерс (США), Израильский технологический институт, Университет г. Осака (Япония), Оксфордский университет (Великобритания) и др.

Разработка новых методов и аппаратуры для прецизионных и высокочувствительных измерений
Пользователи с простыми задачами, имеющими стандартные способы решения, как правило, не обращаются в ЦКП ФИАН, поэтому услуги по сложности зачастую соответствуют НИР. Большинство таких работ представляет собой отдельное научное исследование, не укладывающееся в стандартные методики проведения измерений. Более того, для ряда задач приходится разрабатывать и создавать даже новые методы измерений и новые установки. Примером сказанному является разработанный недавно метод измерения термодинамической спиновой восприимчивости низкоразмерных материалов, который позволяет проводить измерения с объектами, которые содержат всего 109 спинов. Малое количество электронов (n~10⁹) не позволяло измерять спиновую намагниченность традиционными методами – с помощью ЭПР или СКВИД магнитометрии. Другой метод измерений важнейшейшей характеристики материалов – химического потенциала – сейчас проходит стадию отработки и является многообещающим по своим возможностям. Наконец, имея в распоряжении огромные магнитные поля, мы столкнулись с проблемой измерения температуры в области 0.1 – 10 К в присутствие сильного магнитного поля. Оказалось, что известные датчики температуры на основе резистивных, емкостных и др. датчиков подвержены сильному влиянию магнитного поля. Поэтому, в ЦКП ФИАН пришлось разработать локальный метод (и установку) калибровки термометров в присутствие магнитного поля, который основан на диаграмме плавления легкого изотопа гелия-3.

Измерительное оборудование, создаваемое непосредственно в ЦКП, позволяет производить измерения в диапазонах, на которые не рассчитаны серийные приборы. Примерами сказанному служит СКВИД-магнитометр, имеющий на порядок более высокую чувствительность, чем серийные средства измерений. Другой пример –прецизионные системы вращения образца в магнитном поле при низкой температуре с угловым шагом менее 1 мин, которые позволяют проводить измерения анизотропии магнитных или транспортных свойств образцов в магнитных полях.

Проблемы сферы высокотехнологичных услуг
ЦКП ФИАН успешно выполняет задачи по оказанию высокотехнологичных услуг организациям фундаментальной науки. Концентрация современного научного оборудования и организация работы предоставляет широкие возможности не только для академических исследований, но и для инновационных технологических разработок. Но, к сожалению, среди пользователей Центра представителей высокотехнологического сектора промышленности пока явно недостаточно. А между тем, потенциал Центра таков, что вполне позволяет, помимо обслуживания научных и технологических разработок, создать на его базе сертификационный центр. Мы уже получили сертификаты Росстандарта и Роснанотеха на те методики измерений и аппаратуру, которые, по нашим прогнозам, могут понадобиться производителям и разработчикам высокотехнологичной продукции. Мы также готовы сертифицировать наши методики и аппаратуру во многих других областях измерений и осуществлять в них сертифицированное обслуживание. Но это имеет смысл лишь при наличии соответствующих потенциальных заказчиков и пользователей; без этого условия затрата дополнительных средств и времени на эти мероприятия не опрадана.

Комплекс оборудования ЦКП ФИАН
Участок синтеза новых материалов ЦКП включает оборудование для проведения замкнутого цикла твердофазного синтеза в герметичных условиях в атмосфере инертных газов, оборудование для роста кристаллов бестигельным способом с оптическим нагревом, а также оборудование для осаждения пленок методами магнетронного, электронно-лучевого, лазерного, и термического распыления. Для расширения круга высокотехнологичных работ в ЦКП ФИАН планируется создание собственного участка нанолитографии, с тем, чтобы для изготовления элементов наноэлектроники, нанофотоники и наномеханики сотрудникам ЦКП не приходилось ездить в Швецию или Японию. Для этой цели на территории ФИАН строится новый корпус с предусмотренной в нем зоной “чистых” беспылевых помещений по классу 100 и даже 10. Конечно, оборудованием этого нанолитографического участка смогут также пользоваться заинтересованные пользователи из других организаций.

Что касается научного измерительного оборудования ЦКП, то оно позволяет создавать экстремальные условия сверхнизких температур, сильных электрических и магнитных полей, воздействовать на изучаемые материалы и структуры с помощью высоких давлений. В совокупности, оборудование ЦКП отвечает критериям уникального научного оборудования, поэтому ядро этого комплекса называется стенд «УСУ Экстрим».

Рисунок 1. Выпускник МФТИ 2004 года к.ф.-м.н. Дмитрий Князев готовит криомагнитную систему к эксперименту		Рисунок 2. Аспирант Кирилл Перваков готовит к работе установку для роста кристаллов

УСУ «Экстрим» является уникальным комплексом научного оборудования с соответствующей инфраструктурой и инженерным обеспечением, что позволяет проводить исследования электрических, магнитных, тепловых и структурных свойств материалов в магнитных полях до 21 Тл, при давлениях до 3 ГПа и в интервале температур от 0.03 до 800 К. Заметим, что большая часть измерительного оборудования функционирует с использованием жидкого гелия, непрерывное производство которого налажено в ЦКП ФИАН. Других центров с сопоставимым комплексом аппаратуры и возможностями в России не существует. Аналогичные возможности (по некоторым из параметров) российским исследователям могут предоставить только Центры сильных магнитных полей в США (Талахасси и Лос-Аламос), Франции (Гренобль), Англии (Оксфорд), Нидерландах (Наймеген) и Японии (Цукуба и Осака).

Вот весьма неполный перечень установок, используемых в ЦКП ФИАН и входящих в состав «УСУ Экстрим»:
- Автоматизированный СКВИД-магнитометр MPMS-XL7 (Quantum Design) для измерения магнитных свойств с пороговой чувствительностью 10-7 emu в диапазоне полей до 7 Тесла.
- Высокочувствительный СКВИД-магнитометр c пороговой чувствительностью 10-8 emu в диапазоне полей до 0.2 Тесла.
- Автоматизированный комплекс PPMS-9 (Quantum Design) для измерения физических свойств (теплоемкость, магнитосопротивление, восприимчивость, намагниченность).
- Криомагнитная система Intermagnetics 165NS40H для измерений в диапазоне температур 0.35-300 К и полей до 14 Тесла.
- Криомагнитная система с рефрижератором растворения для измерений в диапазоне температур 0.03К-300 К и полей до 13 Тесла.
- Криомагнитные системы-дублеры с полем 8 Тесла для измерений в небольших магнитных полях при температурах 1.3-300 К, а также для отладки измерений.
- Криомагнитная система с откачкой паров 3He для измерений в диапазоне температур 0.3К-300 К и полей до 21Тесла.
- Криомагнитная система для измерений в диапазоне температур 1.4 К-300 К и полей до 16 Тесла.
- Стенды для испытания сверхпроводящих материалов и крупногабаритных криомагнитных систем.
- Универсальные измерительные стенды для автоматизированных измерений на переменном и постоянном токе
- Автоматизированные системы для векторных измерений транспорта на переменном и на постоянном токе.
- Автоматизированная установка для измерения температурной зависимости электрического сопротивления малых кристаллов 4-контактным методом в интервале температур - 4.2-300 К на постоянном токе.
- Автоматизированный гидравлический пресс для нагружения камер давления c электрическими тензодачиками усилия.
- Низкотемпературные немагнитные камеры гидростатического давления (цилиндрические и сферические).
- Дифрактометры ДРОН–2.0, ДРОН–3.0, PANalytical X'Pert PRO.
- Инфракрасный фурье-спектрометр высокого разрешения IFS 125HR фирмы Bruker для измерений спектров отражения и поглощения материалов в дипазоне длин волн 1 мкм-1 мм.
- Растровый электронный микроскоп JEOL JSM-7001FA с приставками для исследований катодолюминесценции и для измерения локального элементного состава материалов методом EDS.

Рисунок 3. Слева: к.ф.-м.н. О.М. Иваненко и к.ф.-м.н. К.В. Мицен готовят к работе установку MPMS-7 Справа: стажер-исследователь Д. Шумаков и м.н.с. А. Садаков программируют работу установки PPMS-9

Подготовка научных кадров в ЦКП ФИАН
Для повышения качества подготовки молодых ученых и специалистов высшей квалификации в ЦКП ФИАН с момента его образования была создана и собственная образовательная программа. Молодые специалисты, аспиранты и студенты работают совместно с ведущими исследователями старших поколений. Такой подход повышает эффективность научного коллектива, способствует сохранению школы и закрепляет в науке талантливую молодежь.

В основном студенты приходят с кафедр, ставших базовыми для ФИАНа. С ними налажено долговременное сотрудничество и ведутся совместные работы:
- Физфак МГУ – совместный научный проект с участием и обучением молодых специалистов с Научно-образовательным центром (НОЦ) ФИАН и ЦКП ФИАН;
- МФТИ – обучение и научно-практическая работа студентов в НОЦ ФИАН и ЦКП ФИАН на базовой кафедре «Проблемы физики и астрофизики» при ФИАН (бакалавриат, магистратура, аспирантура), а также на базовой кафедре «Проблемы квантовой физики».МИФИ – долговременное сотрудничество с различными кафедрами, ныне объединенными в Кафедру № 70 «Физики твердого тела и наноструктур»;
- МГПУ – договор о сотрудничестве с НОЦ ФИАН в области подготовки специалистов по профилю «сверхпроводниковая наноэлектроника и нанофотоника»;
- МГИЭТ – обучение и научно-практическая работа бакалавров, магистров и аспирантов на базе НОЦ ФИАН и ЦКП ФИАН;
- ИРЭ РАН – договор о научном сотрудничестве и сотрудничестве в подготовке молодых специалистов на экспериментальной базе ЦКП ФИАН;
- ИФВД РАН – совместный научный проект с участием молодых специалистов НОЦ ФИАН и ЦКП ФИАН;
- ИТФ РАН – совместные научные проекты с участием молодых специалистов с НОЦ ФИАН и ЦКП ФИАН.

Рисунок 4. (слева направо) Лекции студентам МФТИ читает В.М. Пудалов. На занятиях студенты и аспиранты. Лекции читает проф. В.И. Белявский

Такая работа предполагает тщательный отбор кандидатов и «ведение» студентов с самых ранних стадий обучения. Для второкурсников МФТИ организована летняя практика в лабораториях ЦКП. Для студентов III курса с целью выбора темы преддипломной и дипломной практики в ЦКП ФИАН регулярно проводятся экскурсии. Список тематик, на которые требуются студенты, обновляется каждый год. Сотрудники Центра регулярно встречаются со старшекурсниками на базовых кафедрах и рассказывают о работах, выполняемых в ЦКП. Уже более 10 дет на базе экспериментальных исследовательских и технологических установок сотрудниками Отделения физики твердого тела (ОФТТ) ФИАН проводятся лабораторные работы для студентов 3-4 курсов кафедр Квантовой физики и наноэлектроники МГИЭТ и Cверхпроводимости и физики наноструктур МИФИ (ныне кафедра Компьютерного моделирования и физика наноструктур и сверхпроводников). Работы начата в рамках грантов программы «Интеграция» и продолжены в рамках Научно-образовательных центров, созданных в ФИАН. Цель лабораторных работ – знакомство студентов с современными экспериментальными методами и технологиями, помощь в выборе места выполнения УИР и дипломных работ. Руководство работами осуществляется докторами и кандидатами наук, известными специалистами. Изданы лабораторные практикумы по технологии молекулярно-лучевой эпитаксии, слаботочной сверхпроводимости, теоретическим и экспериментальным методам исследований квантово-размерных структур. Лабораторные работы, проводимые на базе ОФТТ ФИАН, включены в учебные планы соответствующих кафедр МИФИ и МГИЭТ. В 2010 году для 16 студентов ЭКТ-60М МГИЭТ проведены 24 лабораторные работы «Выращивание слоев GaAs методом молекулярно-лучевой эпитаксии», «Численное моделирование электронных свойств квантово-размерных структур с использованием метода огибающей волновой функции», «Определение параметров полупроводниковых материалов рентгенооптическим методом», «Исследование параметров структур с квантовыми ямами вольт-фарадным методом», «Измерение спектров фотолюминесценции германия и кремния», «Поперечный транспорт в полупроводниковых сверхрешетках. Резонансное туннелирование. Токовые неустойчивости и домены электрического поля. Эффекты мультистабильности».

Пришедший в ЦКП студент III-IV курса сразу закрепляется за конкретным научным сотрудником и активно включается в научную работу по индивидуальному плану: осваивает новые экспериментальные методики, посещает лекции, которые читают сотрудники ЦКП – ведущие специалисты в своей области. После защиты дипломных работ подавляющее большинство студентов, проявивших за 2-3 года работы в ЦКП хорошие способности, поступает в аспирантуру ФИАН (или своего ВУЗа) или продолжает работать в ФИАНе в качестве стажеров-исследователей. Для повышения квалификации молодых специалистов на базе ЦКП организованы курсы лекций дополнительного образования. Активно работающие аспиранты и молодые специалисты выезжают с докладами на всероссийские и международные конференции, а также на стажировку в ведущие зарубежных научные центры. В 2010 году молодые специалисты Д.А. Князев и А.Ю. Кунцевич и А.В. Садаков были неоднократно командированы, для проведения совместных экспериментов соответственно, в Исследовательскую лабораторию NEC (Япония), Израильский технологический институт TECHNION, и в Международную лабораторию сильных магнитных полей и низких температур (г. Вроцлав, Польша). Аспиранты и молодые кандидаты наук в 2009-2010 гг. выступали с докладами на Международных конференциях в Италии, Тайване, Нидерландах, Германии, Японии. Все аспиранты, защитившие диссертацию в ФИАНе, остались работать в ЦКП. Сегодня в работе Центра участвуют 9 студентов и 8 аспирантов. А всего, с начала работы Центра в 2004 году, через него прошли 25 студентов и 14 аспирантов.

Практика работы со студентами и молодыми специалистами в ЦКП ФИАН вполне доказала свою эффективность. Отбор потенциальных участников еще на младших курсах вузов и прием студентов в ЦКП ФИАН на конкурсной основе обеспечивают приток талантливой молодежи в лаборатории института. А получаемые в ЦКП знания и навыки, возможность работать на высококлассном оборудовании и проводить исследования на мировом уровне – все это способствует закреплению молодых специалистов в ФИАН.

Учреждение Российской академии наук Физический институт им. П.Н. Лебедева Российской академии наук (ФИАН), Центр коллективного пользования ФИАН «Исследование высокотемпературных сверхпроводников и других сильно-коррелированных электронных систем»