ИСТИНА

Активные исследования в области физики конденсированного вещества и нанотехнологий не только привели к существенному прогрессу в понимании механизмов возникновения электрической поляризации и магнитоэлектрических явлений, но и показали возможности создания классов приборов на основе сочетания магнитоэлектрических и пьезоэлектрических свойств. Макроскопические свойства, такие как магнитоэлектричество, пьезоэлектричество, связаны с локальными структурными изменениями, происходящими под влиянием внешних воздействий. Способность контролировать такие изменения требует тщательного изучения их связи с параметрами внешних полей и является фундаментальной задачей. Поскольку структурные изменения на атомном уровне, вызванные внешними воздействиями, очень малы, требуются методы определения атомных смещений с высокой точностью. Новые возможности для этого появились недавно благодаря новому методу, разработанному немецкими соавторами этого проекта (C. Richter et al., Nature Communication, 2018), который позволяет определять атомные смещения с точностью до пикометра с использованием резонансной дифракции синхротронного излучения. В настоящем проекте предлагается изучить изменения структурных характеристик ряда пьезоэлектриков и мультиферроиков при возбуждении в них стоячих акустических волн и воздействии электрического поля. Для этого предлагается разработать новый метод, основанный на возбуждении ультразвуковой волной запрещенных брэгговских отражений при дифракции синхротронного излучения и их усилении за счет интерференционных эффектов. Ожидается, что результаты дадут лучшее понимание механизмов, контролирующих смещение атомов в функциональных материалах под воздействием внешних физических полей, на примере изучения ряда материалов: LiNbO3 /LiTaO3 , Li2B4O7 , Fe2Mo3O8, GaN, ZnO, RbH2PO4, BiFeO3 , BaTiO , и фазы МПФ в SrTiO3, а также дадут количественную информацию о зависимости локальных смещений атомов от амплитуды и частоты акустических волн. Будут разработаны новые методы контролируемого и обратимого изменения структурных параметров в функциональных материалах и создано новое экспериментальное оборудование, совместимого как с обычными рентгеновскими источниками, так и с современными установками на станциях синхротронного излучения. Полученные результаты смогут значительно расширить список функциональных материалов и будут полезны для современных технологических применений.

Active research in the field of condensed matter and nanotechnology not only led to significant progress in understanding the mechanisms of formation of electrical polarization and magnetoelectric phenomena, but also showed the possibilities of creating new classes of devices based on a combination of magnetoelectric and piezoelectric properties. Meamwhile, macroscopic properties, such as multiferroiсcity, piezoelectricity, are associated with local structural changes that occur under the influence of external stimuli. The key ability to control such displacements requires careful study of their connection with the parameters of external fields, and is a fundamental task. Since structural changes at the atomic level caused by external influences are very small, methods for determining atomic displacements with high accuracy are required. New possibilities for that emerged recently due to the novel method developed by the German co-authors of this Project (C. Richter et al., Nature Communication, 2018), which allows to determine atomic displacements with picometric accuracy using resonant diffraction of synchrotron radiation. In this project, it is proposed to study the the transformations in the structural characteristics of a number of piezoelectrics and multiferroics excited in them by standing acoustic waves and electric fields. For this it is proposed to develop a new method based on excitation by the ultrasonic wave of forbidden Bragg reflections in the diffraction of synchrotron radiation and their amplification due to interference effects. It is expected that the results will give a better insight into the mechanisms, controlling the atomic displacement in functional materials under influence of external physical fields, as exemplified by a number of materials, such as such as LiNbO3 /LiTaO3 , Li2B4O7 , Fe2Mo3O8, GaN, ZnO, RbH2PO4, BiFeO3 , BaTiO , and the MFP phase in SrTiO3 , and quantitative information regarding the dependence of local atomic displacements on the amplitude and frequency of acoustic waves. Further, new methods for controlled and reversible transformation of structural parameters in functional materials and new experimental equipment compatible both with conventional X-ray sources as well as with the state of the art beamlines at synchrotron radiation facilities will be made available. The obtained results can significantly widen the range of functional materials and can be directly used in modern technological applications.

Активные исследования в области физики конденсированных сред и нанотехнологий не только привели к значительному прогрессу в понимании механизмов образования электрической поляризации и магнитоэлектрических явлений, но и показали возможности создания разнообразных приборов на основе сочетания магнитоэлектрических и пьезоэлектрических свойств. Однако, макроскопические свойства, такие как мультиферроизм, пьезоэлектричество, связаны с локальными структурными изменениями, происходящими под влиянием внешних воздействий. Существует несколько физических механизмов, осуществляющих связь таких структурных изменений с возникающей поляризацией и/или магнетизмом, которые по-разному реализуются в конкретных кристаллических структурах. Поскольку структурные изменения на атомном уровне, вызываемые внешними воздействиями, очень малы, требуются методы определения атомных смещений с большой точностью. Одним из наиболее интересных является предложенный в работе немецких авторов данного Проекта (C.Richter et al. Nature Communication, 2018) метод определения атомных смещений с пикометровой точностью с использованием резонансной дифракции синхротронного излучения. В настоящем проекте предлагается новый метод определения атомных смещений, основанный на возникновении брэгговских отражений при возбуждении стоячей ультразвуковой волны в ряде пьезоэлектриков и мультиферроиков, с учетом их усиления за счет интерференции с многоволновыми или резонансными отражениями.

В работах В.Е.Дмитриенко была впервые развита теория "запрещенных" (чисто резонансных) рефлексов, обусловленных локальной анизотропией положений рассеивающих атомов. В.Е. Дмитриенко и Е.Н. Овчинникова исследовали чувствительность резонансной рентгеновская дифракции синхротронного излучения к тепловым колебаниям и точечным дефектам. В совместных работах с экспериментальными группами из Японии, Великобритании, Франции и Германии обнаружен температурный рост интенсивности запрещенных отражений в Ge, ZnO и GaN. Российские партнеры также разработали и успешно используют технику стоячих акустических волн в экспериментах по рассеянию рентгеновских лучей, в том числе для кристаллических материалов, не обладающих пьезоэлектрическими свойствами. В последнем случае пластинка, генерирующая акустическую волну, используется для ее инжекции в пассивный образец. В частности, эта техника позволила наблюдать обратимое образование дефектов под действием ультразвуковых волн в парателлурите и фториде лития с типичным временем релаксации в несколько минут.Руководитель группы немецких ученых М.Жорнак с соавторами продемонстрировали прогресс в области измерительной техники и интерпретации результатов, и представили последние результаты исследований структуры рутила TiO2.В течение нескольких лет авторы проекта успешно исследовали структурные изменения тройных и четверных оксидов, в том числе систем, которым уделяется большое внимание: LiNbO3/LiTaO3 и SrTiO3/BaTiO3.

Ожидаемые результаты состоят в создании новой методики, экспериментальных схем, акустических резонаторов, совместимых с аппаратурой станций на синхротронах КИСИ и PETRA III и их апробации на ряде кристаллов (TeO2, RDP, BiFeO3, Fe2Mo3O8), результатом которой должны стать зависимость локальных смещений атомов от амплитуды и частоты возбуждаемой акустической волны, а также изучение миграции вакансий при приложении электрического поля. Сравнение этих результатов с современным уровнем исследований в этой области позволяет утверждать, что они будут на передовом крае мировой науки.