Аннотация результатов, полученных в 2021 году
Методом ядерного рассеяния вперёд синхротронного излучения (NFS) исследовались электронные и магнитные состояния Fe при высоких давлениях и криогенных температурах. Было обнаружено, что в исследованном диапазоне давлений и температур (T ~4-300 К, P~55-241 ГПа) фазовых переходов нет. Экспериментальные NFS спектры чистого железа (Fe) и железа с репером из нержавеющей стали (Fe+SS) показывают, что атомы Fe находятся в немагнитном состоянии во всей исследованной P-T области. При приложении внешнего магнитного поля (Hext) было показано, что вся величина поля на ядре Fe-57 (HFe) обусловлена приложенным внешним магнитным полем, и, таким образом, железо при этих условиях является диамагнетиком или парамагнетиком с очень маленьким магнитным моментом. Т.е. практически является немагнитным. Магнитные и электронные состояния поли- гидридов железа (FeHx) были исследованы методом синхротронной NFS (Fe-57) спектроскопии при высоких давлениях в диапазоне P~ 80-157 ГПа, при нормальной и криогенных температурах, а также во внешнем магнитном поле. Из NFS исследований следует, что существуют несколько разных соединений FeHx с совершенно разными электронными и магнитными свойствами. Эти различные поли- гидриды железа (FeHx) были синтезированы в условиях высокого давления и высокой температуры (high-P – high-T) с использованием установки лазерного нагрева. Синтез проводился в системе Fe-AB (где AB-боран аммония, NH3BH3). Одна из фаз FeHx является магнитной как минимум до 128 ГПа, т.е. практически до границы между нижней мантией и внешним ядром Земли. Ещё несколько фаз – антиферромагнитные (в частности FeH2), и несколько – немагнитные. Такое богатство фаз FeHx является результатом очень близких энергий этих систем и требует тщательного и подробного изучения и документирования условий синтеза. Следует отметить, что немагнитные фазы поли- гидридов (FeHx) очень важны с точки зрения возможной высокотемпературной сверхпроводимости. Эти результаты очень важны как с фундаментальной точки зрения физики поли- гидридов металлов, их магнетизма и сверхпроводимости, так и с точки зрения физики Земли и земного магнетизма. Методом синхротронной рентгеновской дифракции исследованы гидриды железа FeHx, синтезированные в двух экспериментах методом лазерного нагрева системы Fe-AB (боран аммония) при давлениях 77 и 90 ГПа. По данным рентгеновской дифракции были определены структурные параметры тетрагональной антиферромагнитной фазы FeH2, а также были зарегистрированы рефлексы, которые могут быть приписаны фазам полигидридов FeH3, FeH5, Fe3H13. Построены карты распределения в образце преобладающей фазы FeH2. При высоких давлениях и комнатной температуре методом рентгеновской дифракции была исследована структура моно- силицида железа FeSi до давлений ~ 70 ГПа. Была обнаружена возможная аномалия при давлении порядка 40 ГПа, что указывает на возможный фазовый переход. Тем не менее остаётся возможность что эта аномалия является экспериментальным артефактом и структура FeSi остаётся неизменной в диапазоне 0-70 ГПа и является структурой B20. Требуются дальнейшие исследования для прояснения вопроса о возможном структурном переходе при 40 ГПа и о структуре FeSi при бОльших давлениях. Структурный переход первого рода с падением объема на ~ 2.7% наблюдался в монооксиде никеля (NiO) при ~ 225±15 ГПа. Переход является изоструктурным и очень хорошо соответствует переходу диэлектрик-металл в NiO, недавно обнаруженному при 240±10 ГПа. Уравнение состояния при комнатной температуре измерялось также при повышении и понижении давления. Наблюдаемая фаза высокого давления устойчива при декомпрессии до ~ 130 ГПа. Наличие фазы высокого давления во время декомпрессии может быть связано с большим энергетическим барьером между фазами высокого и низкого давления, а также с влиянием одноосного напряжения на распределение фаз в образце. Дальнейшие эксперименты необходимы, чтобы прояснить природу наблюдаемого разделения фаз и его связь со спиновым, решеточным и зарядовым взаимодействиями. Колебательные свойства железо-иттриевого граната (Y3Fe5O12) исследованы при высоком квази- гидростатическом давлении методом спектроскопии комбинационного рассеяния света. Рамановские спектры измерялись в камере высокого давления с алмазными наковальнями в диапазоне давлений 0-72 ГПа при комнатной температуре. В области ~50 ГПа обнаружено кардинальное изменение характера спектров с исчезновением острых пиков (см. рис 6.1). Это подтверждает фазовый переход из кристаллического в аморфное состояние, который ранее был обнаружен другими экспериментальными методами. При этом переходе также происходит спиновый кроссовер в ионах железа Fe3+, которые переходят из высокоспинового состояния (HS, S = 5/2) в низкоспиновое (LS, S = 1/2). По результатам измерений подробно документированы барические зависимости фононных мод в Y3Fe5O12 от атмосферного давления до критического давления фазового перехода.

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Методом измерения электросопротивления и методом ядерного рассеяния вперёд синхротронного излучения (NFS) исследовались электронные и магнитные состояния Fe при высоких давлениях и криогенных температурах. На барических зависимостях сопротивления R(T) и изомерного сдвига были обнаружены резкие аномалии в диапазоне давлений 150-160 ГПа. Такие резкие аномалии как в поведении сопротивления, так и в поведении изомерного сдвига свидетельствуют о возможном электронном переходе в диапазоне давлений 150-160 ГПа. Исходя из этих новых результатов построена вероятная фазовая P-T диаграмму с учётом нового электронного перехода. Однако для прояснения этого эффекта необходимы дополнительные эксперименты, расчёты и теоретическое осмысление. Поскольку скачок сопротивления был получен только в одной серии измерений сопротивления, то необходимо повторение данного, очень важного результата, чтобы избежать возможного артефакта при измерении. Кроме того, необходимо исключить влияние среды, а здесь был использован боразан (BH3NH3). Возможно, что при давлении выше 150 ГПа боразан претерпевает частичное разложение с выделением водорода, который взаимодействует с железом, что и приводит к скачкообразному падению сопротивления в 10 раз. Всё это предполагается проверить в экспериментах на следующем этапе выполнения гранта. Полученные результаты очень важны в первую очередь с точки зрения физики Земли и земного магнетизма, а также с фундаментальной точки зрения физики металлов, их электронных и магнитных свойств. Впервые синтезированы и изучены сверхпроводящие полигидриды железа. Было синтезировано и исследовано две фазы полигидридов FeHx(I) и FeHx(II). Синтез осуществлялся методом лазерного нагрева а алмазных наковальнях в среде борана аммиака (BH3NH3) при давлении 180 ГПа фазы FeHx(I) и при давлении 195 ГПа фазы FeHx(II). Для фазы FeHx(I) максимальная температура сверхпроводящего перехода была получена при 193 ГПа и равняется Tc~25 K. Для фазы FeHx(II) максимальная температура сверхпроводящего перехода была получена при ~216 ГПа и равняется Tc~28 K. В обеих фазах температура сверхпроводящего перехода Tc линейно растёт с давлением с наклоном dTC/dP ~ 0.063±0.001 K/ГПа для FeHx(I) и dTC/dP ~ 0.056±0.003 K/ГПа для FeHx(II). В дальнейшем необходимо определить структуру этих фаз методом рентгеновской дифракции при высоких давлениях в алмазных наковальнях, а также изучить оптические и магнитные свойства методами спектроскопии оптического поглощения-отражения и методом синхротронной NFS спектроскопии. Полученные результаты очень важны с фундаментальной точки зрения физики металлов для проблемы сверхпроводимости, а также с точки зрения физики Земли и земного магнетизма. Была разработана работающая схема рентгеновской дифракционной установки на станции "Микрофокус" синхротрона СИБИРЬ 2 (НИЦ "Курчатовский институт", Москва). Удалось сфокусировать пучок СИ в размеры dX x dY — 10 x 10 мкм (с интенсивностью 1500cps). Реально работали с размером пучка 30 x 30 мкм (с интенсивностью 30000 cps). Удалось подавить паразитный фон от комптоновского рассеяния пучка СИ на воздухе. За 20 мин снимается удовлетворительная дифрактограмма от калибровочного образца Si, по которой можно откалибровать детектор. При сканировании по координатам очень тонкие и микро- размерные образцы (фольга железа толщиной 0.5 мкм) хорошо видны и на них можно достоверно и качественно съюстировать пучок СИ. Созданная установка позволяет проводить эксперименты по измерению рентгеновской дифракции в камерах с алмазными наковальнями. По нашим оценкам для элементов со средним Z порядка железа (и больше) можно проводить эксперименты до давлений 100 ГПа со временем накопления несколько часов (размер образца ~70x70x20 мкм). В этом случае размер пучка можно увеличить, и соответственно увеличить размер чистящего пинхола. Можно также проводить эксперименты и при мегабарных давлениях 100 – 250 ГПа (размер образца ~25x25x2 мкм). В этом случае время накопления сигнала должно быть не менее 8-12 часов или даже сутки на одну дифрактограмму. Проведённые выше эксперименты по измерению температурных зависимостей электросопротивления R(T) при различных давлениях требовали разработки специальной высокочувствительной и высокоточной установки. Для этой цели была разработана и создана экспериментальная установка для измерения электросопротивления образцов при высоких давлениях и криогенных температурах. Основой установки является криостат на базе криокуллера замкнутого цикла с рабочим газом - гелием (He) и камеры высокого давления с алмазными наковальнями с высокой стабильностью давления при температурном циклировании. Охлаждающим элементом установки является криорефрижератор SRDK-101-A11C на основе цикла Гиффорда-МакМагона производства фирмы "Sumitomo". Гелиевый компрессор с воздушным охлаждением производительностью 0.1 Вт при 4.2 К. В качестве терморегулятора используется прибор Lake Shore 335, для измерения напряжения – нановольтметр Keithley 2182A, а для задания тока – источник тока Keithley 6221. Установка была отработана и протестирована на известных образцах. По результатам тестовых измерений оказалось, что установка позволяет определять значения критических параметров, например, таких как температура сверхпроводящего перехода с точностью не хуже 0.1 градуса. Все полученные на данном этапе результаты измерялись с помощью этой установки. Для управления экспериментальной установкой по измерению электросопротивления и накопления данных R(T) при высоких давлениях и криогенных температурах была создана программа «CryoRT». Программа для проведения измерений зависимости сопротивления от температуры написана на языке LabView. Для измерения сопротивления используется Дельта режим. В этом режиме задается максимальный и минимальный ток(I), задержка между измерениями (D-delay) и количество измерений (n). При 4-точечной схеме измерения используется сверхчувствительный источник тока Keithley 6221 и нановольтметр Keithley 2182A. Для контроля температуры и управления криостатом используется терморегулятор Lakeshore 335. Программа отработана на многочисленных тестовых и экспериментальных температурных сканах. Были полностью обработаны данные экспериментов, полученные на предыдущем этапе. Были написаны, опубликованы и приняты в печать 3-и работы. В работе "Переход первого рода в NiO при высоких давлениях" был обнаружен структурный переход первого рода с падением объема на ~ 2.7% в монооксиде никеля (NiO) при ~ 225±15 ГПа. Переход является изоструктурным и очень хорошо соответствует переходу диэлектрик-металл в NiO при давлении 240±10 ГПа. В работе "Синтез и магнитные свойства фаз полигидридов железа при высоких давлениях мегабарного диапазона" были синтезированы и изучены 7 фаз полигидридов железа при высоких давлениях (P~80-157 ГПа), низких температурах (T~4-300 K) и сильных магнитных полях (H~0-5 Тесла). Исследования проводились синхротронными методами NFS-спектроскопии и рентгеновской дифракции. Удивительным результатом является обнаружение одной из фаз FeHx (фаза I), неизвестного пока состава, которая при давлении 128 ГПа остается магнитноупорядоченной в интервале температур от 4 до 300 К, а экстраполированное значение температуры Нееля может достигать ~ 2100 К! Существование магнитных фаз соединений железа при таком рекордно высоком давлении является уникальным и не наблюдалось до настоящего времени. Следует отметить, что такие высокие давления характерны для области, находящейся на границе между нижней мантией и внешним ядром Земли, в составе которой преобладает железо. В работе " Электронные и магнитные свойства фазы железа ε-Fe при высоких давлениях до 241 ГПа в области температур 4-300 К" методом ядерного рассеяния вперёд синхротронного излучения (NFS) исследовались электронные и магнитные состояния Fe при высоких давлениях и криогенных температурах. Было обнаружено, что в исследованном диапазоне давлений и температур (T ~4-300 К, P~55-241 ГПа) железо является немагнитным.

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
Электронные свойства железа (a-Fe и e-Fe фазы) исследовались методом измерения электрического сопротивления R при высоких давлениях в диапазоне 0-176 ГПа и при низких температурах 4.7-330 K. Зависимость R(P) в фазе e-Fe подчиняется экспоненциальному закону R(P)=R∞+A·exp(-b·P) где коэффициент под экспонентой равен b=01177±0.00204 1/ГПа. Зависимость непрерывная без фазовых переходов. При этом как в фазе a-Fe, при давлениях 0-10 ГПа, так и в фазе e-Fe, при давлениях 105-175 ГПа, термический коэффициент сопротивления (a305=1/R·dR/dT, при T=305 K) в пределах экспериментальной ошибки не зависит от давления и равен a305=0.0045±0.0004 1/K. Уточнена P-T фазовая диаграмма. Были продолжены исследования сверхпроводящих гидридов железа с целью исследовать их свойства, определить минимальное давление, при котором они образуются, отработки синтеза однофазного образца, а также исследовать влияние старения на сверхпроводящие свойства. Синтез проводился в системе Fe-AB (где AB-боран аммиака, NH3BH3) в условиях высокого давления и высокой температуры методом лазерного нагрева в камере с алмазными наковальнями из e-Fe фазы железа. Электронные свойства FeHx исследовались методом измерения электрического сопротивления при высоких давлениях в диапазоне 171-200 ГПа и при температурах 6 - 300 K. Минимальное давление появления СП фаз FeHx оказалось равным ~160 ГПа. Даже при тщательном, равномерном по поверхности образца лазерном нагреве, образец получается многофазным. Было детектировано как минимум 5 фаз с разными Tc в одном акте синтеза. Это объясняется градиентом по толщине образца температуры и концентрации проникшего водорода. В более глубоких слоях (при толстом образце) концентрации водорода недостаточно и СП фаза не образуется. Эффективная толщина синтеза СП фазы порядка 0.5-1 мкм. Максимальное, полученное значение TC равно 28 K. Исследования по изучению влияния величины проходящего тока на форму зависимостей R(T) полигидридов FeHx в области перехода в СП состояние выявили увеличение ширины СП перехода и уменьшение величины TC, со стремлением к нулю, что является характерным поведением сверхпроводника. Были обнаружены спектры микро- контактной спектроскопии сильной интенсивности, которые ослабевали и пропадали при нагреве выше TC, что также является характерным поведением сверхпроводящего материала. Таким образом, несколькими независимыми методами было подтверждено существование СП состояния в полигидридах железа, синтезированных при высоких давлениях выше 160 ГПа. Проведенные исследования структуры полигидридов железа и зависимости удельного объёма VFe при высоких давлениях показали, что FeHx не имеет сверхпроводимости до "насыщенности" (x) водородом вплоть до x=4.3 (давление до 130 ГПа). Методом анализа микрофотографий была получена зависимость VFe в сверхпроводящих полигидридах железа (170 ГПа и выше). Оказалось, что фаза FeHx(I) имеет насыщенность FH5, а фазы FeHx(II, V) – насыщенность FeH6 . Что подтверждает теоретическое предположение о сверхпроводимости FeH5 и FeH6 фаз. Также выявлена связь между насыщенностью водородом и СП свойствами – чем выше (x) , тем выше TC. Создана установка для лазерной микро- резки. Установка используется для сверления микро- отверстий в гаскетах, резки образцов, тонких тоководов, масок для напыления, и т.д. Для её управления написана и отлажена программа «GasketLaserCut». Также создана и отлажена программа «DifCoM» для измерения спектров микро- контактной спектроскопии на базе приборов: источника тока Keithley 6221 и нано вольтметра Keithley 2182A, контроллера температуры Lakeshore 335. На базе этого программно-аппаратного комплекса были измерены спектры микро- контактной спектроскопии, приведённые в данной работе. Были полностью обработаны данные экспериментов, полученные на этапах 2022-го и 2023-го гг. Основные результаты приведены в работе [A. G. Gavriliuk et al, JETP Letters 118(10), (2023)].