Аннотация результатов, полученных в 2018 году
В ходе выполнения проекта был осуществлен цикл работ по моделированию оптических свойств гетероструктуры BaTiO3/LaMnO3 при не фиксированной заранее ориентации поляризации в сегнетоэлектрических слоях BaTiO3 с помощью метода теории функционала плотности, реализованного в программе VASP. При моделировании были учтены сильные корреляции между электронами d и f- орбиталей, потому был выбран метод GGA+U. Этот метод позволяет найти основное состояние системы и определить его электронные свойства с помощью численных расчётов. В результате нам удалось определить параметры запрещенных зон электронного спектра как для системы в целом, так и для различных областей гетероструктуры. Это позволяет сделать выводы об спектральном составе света, который будет наиболее эффективным при воздействии на различные участки гетероструктуры. Также были осуществлены работы, направленные на совершенствование методов формирования гетероструктур интересующих нас составов. В этих целях были продолжены работы по получению гетероструктур при нанесении сегнетоэлектрика на кристаллы LaMnO3 различной ориентации. На данном этапе, в кооперации с нашими партнерами, были получены пленки толщиной порядка 40 нм двумя различными технологиями. Сейчас ведется характеризация этих пленок для дальнейшего нанесения сегнетоэлектрической пленки. Были проведены исследования процессов переключения высокопроводящей области на интерфейсах сегнетоэлектрика и диэлектрика Ba0.8Sr0.2TiO3/LaMnO3 путем воздействия ультрафиолетовым светом и неоднородным электрическим полем на сегнетоэлектрик. При воздействии на сегнетоэлектрик только светом или только неоднородным электрическим полем изменения проводящих свойств гетероструктуры зафиксировано не было. Однако после того, как мы одновременно воздействовали на систему ультрафиолетовым светом и неоднородным электрическим полем на сегнетоэлектрическую плёнку, удалось полностью выключить высокопроводящее состояние. Результаты, полученные при таком воздействии, дают основание полагать, что возбужденные светом в сегнетоэлектрической пленке носители переносятся в область интерфейса. Существенным моментом здесь является то, что после выключения высокопроводящего состояния, мы могли вернуть систему в высокопроводящее состояние с помощью приложения однородного электрического поля. Это наблюдение позволяет считать, что высокопроводящая область на интерфейсе появляется при наличии однородной поляризации в сегнетоэлектрике, перпендикулярной интерфейсу. Это также позволяет предположить, что при воздействии неоднородного электрического поля и света в сегнетоэлектрической пленке возникает неоднородная доменная структура. Работы по исследованию возможности возникновения сверхпроводимости и параметров наблюдения квантовых эффектов на границе сегнетоэлектрика и диэлектрика были сконцентрированы на поиске интерфейсов, в которых в принципе может реализовываться сверхпроводящее состояние. Для этих целей была выбрана гетероструктура, состоящая из сегнетоэлектрика и диэлектрика Ba0.8Sr0.2TiO3/La2CuO4. Было показано, что при понижении температуры гетероструктура Ba0.8Sr0.2TiO3/La2CuO4 переходит в сверхпроводящее состояние при Т=30К. Это подтверждается наблюдением диамагнитного отклика при этой же температуре. Величина диамагнитной восприимчивости образца указывает на то, что сверхпроводимость локализована на интерфейсе. По результатам работы за год подготовлены материалы для 6 статей. 3 статьи приняты в печать, 1 статья находится на рассмотрение в PRL.

Аннотация результатов, полученных в 2019 году
В ходе выполнения проекта был осуществлен цикл работ по моделированию оптических свойств гетероструктуры BaTiO3/LaMnO3 при ориентации спонтанной поляризации в сегнетоэлектрических слоях BaTiO3 перпендикулярно поверхности интерфейса с помощью метода теории функционала плотности, реализованного в программе VASP. При моделировании были учтены сильные корреляции между электронами d и f- орбиталей, потому был выбран метод GGA+U. В результате нам удалось определить параметры электронных состояний и ширину запрещенных зон электронного спектра для различных областей гетероструктуры. Это позволяет сделать выводы, свет с длиной волны от ультрафиолетового до зеленого областей спектра будет наиболее эффективным для воздействия на сегнетоэлектрическую пленку. А инфракрасное излучение будет наиболее эффективным при воздействии на область интерфейса и область подложки вблизи интерфейса. Также были осуществлены работы, направленные на исследование процессов переключения области на границе гетероструктуры Ba0.8Sr0.2TiO3/LaMnO3 путем воздействия ультрафиолетовым и зеленым светом на сегнетоэлектрик при двух состояниях интерфейса: высокопроводящем и низкопроводящем. В первом случае исследовалось высокопроводящее состояние без какого-либо предварительного воздействия. Воздействие ультрафиолетовым светом не приводило к существенному изменению сопротивления в широком интервале исследуемых температур. При воздействии постоянного освещения в ультрафиолетовой области спектра и при воздействии короткими импульсами длительностью до нескольких десятков фемтосекунд мы не смогли зафиксировать результат такого воздействия на поведение сопротивления. Воздействие зеленым светом не приводило к значительному увеличению сопротивления (1.5-2 раза) в широком температурном диапазоне 80-200 К. В результате в высокопроводящем состоянии наблюдается своеобразная отрицательная фотопроводимость - уменьшение проводимости при освещении. Характерное время включения и выключения такого высокопроводящего состояния составляло 4-10 секунд. Этот результат очень интересный и неочевидный, потому что в результате светового воздействия сопротивление интерфейса увеличивается, то есть проводимость падает. Во втором случае было исследовано изменение проводящих свойств интерфейса после воздействия неоднородного электрического поля – когда система переводилось в низкопроводящее состояние. Таким образом, вначале «выключалось» высокопроводящее состояние на интерфейсе при воздействии ультрафиолетового освещения и неоднородного электрического поля, и после этого исследовалось воздействие зеленого света с длиной волны лазерного излучения 512 нм. Воздействие зеленым светом приводило к увеличению сопротивления в несколько раз (в 5-8 раз в зависимости от температуры) в широком температурном диапазоне 80-200 К. Характерное время включения и выключения такого высокоомного состояния составляло 5-10 секунд. Существенно, что в обоих случаях после выключения света сопротивление уменьшается до прежнего значения. Таким образом, в наших экспериментах наблюдается своеобразный гигантский эффект отрицательной фотопроводимости. Само возникновение отрицательной фотопроводимости не очевидно, а когда эффект такой большой, то он вдвойне удивителен. Исследования в этом направлении будут продолжены для выяснения всех деталей этого явления. Мы продолжили наши усилия, направленные на совершенствование методов формирования гетероструктур. В этих целях были продолжены работы по получению гетероструктур при нанесении сегнетоэлектрических пленок Ba0.8Sr0.2TiO3 на пленки LaMnO3. К сожалению, высокопроводящее состояние на таких гетероструктура наблюдать не удалось. Возможно, это связано с тем, что достаточно толстая сегнетоэлектрическая пленка сильно деформирует тонкую пленку LaMnO3. Поэтому наши исследования были продолжены на гетероструктурах Ba0.8Sr0.2TiO3/LaMnO3, созданных на монокристаллическом LaMnO3. Были получены новые экспериментальные результаты по влиянию магнитного поля на проводящие свойства интерфейса гетероструктуры Ba0.8Sr0.2TiO3/LaMnO3. Показано на ряде образцов, что магнитное поле, приложенное вдоль оси с, приводит к изменениям сопротивления в области интерфейса и сдвигу максимума сопротивления гетеростуктуры с 165 К до 235 К. Таким образом, достигается значительное увеличение области наблюдения высокопроводящего состояния на интерфейсе гетероструктуры Ba0.8Sr0.2TiO3/LaMnO3. Получены первые результаты измерения эффекта Холла на гетероструктуре Ba0.8Sr0.2TiO3/LaMnO3. Из измерений эффекта Холла при относительно низких температурах были получены достаточно грубые оценки значений концентрации носителей по порядку величины 10^{10}-10^{11}см^{-2}. и подвижности носителей порядка 100 см^2/(В с). Исходя из этих результатов и наших оценок толщины высокотемпературной области был сделан вывод, что есть вероятность наблюдения эффекта Шубникова-де Гааза. Были получены дополнительные результаты исследования возможности возникновения сверхпроводящего состояния на интерфейсе гетероструктуры, состоящей из сегнетоэлектрика и диэлектрика Ba0.8Sr0.2TiO3/La2CuO4. При понижении температуры гетероструктура Ba0.8Sr0.2TiO3/La2CuO4 переходит в сверхпроводящее состояние при температуре около 30 K. Был осуществлен цикл работ, чтобы удостоверится, что действительно возникает сверхпроводящее состояние, и что это состояние является квазидвумерным и расположено в области интерфейса. Наличие сверхпроводящего состояния подтверждается обнаружением диамагнитного эффекта при температурах ниже 30 К при измерении магнитной восприимчивости в различных магнитных полях, приложенных в процессе охлаждения или нагрева. Значение диамагнитной восприимчивости порядка 10^{-7} emu свидетельствует о том, что сверхпроводимость существует в малом объеме образца. Для толщины сверхпроводящей области мы получили очень грубую оценку в пределах величин 3-10 нм. Также была измерена температурная зависимость проводимости в малых магнитных полях. Сверхпроводимость перестает наблюдаться уже в очень маленьких полях. Все это свидетельствует об очень тонком слое сверхпроводящей фазы и о квазидвумерном поведении. Эти результаты нашли отражение в статье, опубликованной в журнале Physical Review Letters 122, 237001 (2019) и Supplementary Materials к этой статье. По результатам работы за год подготовлены 8 статей – из них 6 статей опубликовано (одна из них в Phys.Rev.Lett. - Q1), 1 принята в печать, 1 статья находится в редакции. Еще 3 статьи, которые были приняты в печать в прошлом году, опубликованы в этом году. Кроме того, публикация статьи в Physical Review Letters, а также то, что она была отмечена как Editor Suggestions, привело к тому, что на статью обратили внимание в интернет изданиях, рассказывающих о достижениях науки: Phys.org (https://phys.org/news/2019-06-quasi-2d-superconductor-bridges-ferroelectric-insulator.html ) и Superconductor Week (Superconductivity Week, October 11, Vol.33 N 8, pages 11-12 (2019), http://www.superconductorweek.com).

Аннотация результатов, полученных в 2020 году
Проект посвящен исследованию гетероструктур сегнетоэлектрик/диэлектрик типа BaTiO3/LaMnO3 и c высокой проводимостью на интерфейсе. В отчетном году выполнен цикл работ по ab initio моделированию спектра электронных состояний и магнитных свойств интерфейсов гетероструктуры BaTiO3/LaMnO3. Основные результаты, когда наблюдался переход к металлическому типу энергетического спектра состояний на интерфейсе, были получены для случая, когда направление поляризации в сегнетоэлектрической пленке было перпендикулярно плоскости интерфейса. В качестве инструмента для моделирования структурных и проводящих свойств гетероструктур был выбран метод теории функционала плотности, реализованный в программе VASP. По результатам моделирования определялись параметры спектра электронных состояний и магнитные состояния как для системы в целом, так и для различных слоев в гетероструктуре. Промоделированы свойства интерфейса гетероструктуры BaTiO3/LaMnO3 при увеличении числа атомных слоев сегнетоэлектрической пленки, и рассмотрен вопрос о влиянии на свойства интерфейса внутреннего экранирования в сегнетоэлектрике. В этом году были проведены исследования процессов переключения высокопроводящей области на границе сегнетоэлектрика и диэлектрика в гетероструктуре Ba0.8Sr0.2TiO3/LaMnO3 путем одновременного и последовательного воздействия внешнего электрического поля на гетероструктуру и ультрафиолетового, зеленого и инфракрасного света на сегнетоэлектрическую пленку. Исследованы процессы воздействия ультрафиолетового и зеленого света на проводящие свойства интерфейса гетероструктур Ba0.8Sr0.2TiO3/LaMnO3. Изучены процессы включения и выключения более высокоомного состояния в низкопроводяшей фазе интерфейса при освещении зеленым светом, для случая, когда наблюдается эффект отрицательной фотопроводимости после воздействия неоднородного электрического поля. Изучено влияние инфракрасного освещения на такое поведение. Также проведены исследования процессов переключения высокопроводящей области при отдельном воздействии зеленого и инфракрасного освещения на интерфейс гетероструктуры Ba0.8Sr0.2TiO3/LaMnO3 до и после воздействия внешнего магнитного поля на систему. В частности были исследованы проводящие свойства интерфейса гетероструктуры Ba0.8Sr0.2TiO3/LaMnO3 в процессе и после воздействия зеленого и инфракрасного освещения в области температур высокопроводящего состояния, полученного после воздействия внешнего магнитного поля на систему. Изучены процессы переключения в более высокоомное состояние, таким образом, наблюдался отрицательный эффект фотопроводимости при освещении зеленым светом. Определены характерные времена переключения в высокоомное состояние. Были проведены исследования проводящих свойств интерфейса после последовательного приложения внешнего магнитного поля и светового воздействия при различных температурах. После первоначального эффекта воздействия магнитного поля дальнейших изменений, при последующих приложениях магнитного поля, зафиксировано не было. Проводились исследования по воздействию терагерцового излучения на исследуемую гетероструктуру Ba0.8Sr0.2TiO3/LaMnO3 при азотных температурах. Терагерцовое излучение возбуждалось лампой обратной волны в области 240 ГГц, с перестраиваемым спектром в этой области частот. Были исследованы магнитные свойства образцов гетероструктур Ba0.8Sr0.2TiO3/LaMnO3 до и после воздействия сильного магнитного поля. Было выявлено отсутствие влияния облучения светом зеленого и инфракрасного областей спектра на магнитные свойства интерфейса. Были проведены измерения магнитной восприимчивости в широком интервале температур, включающем температурную область высокопроводящего состояния интерфейса гетероструктуры Ba0.8Sr0.2TiO3/LaMnO3. Вывод, что в системе возникает магнитное упорядочение именно на интерфейсе, не удалось сделать однозначно. Это связано с тем, что трудно разделить вклады от подложки и области интерфейса, потому что ниже 140 K в монокристалле LaMnO3 возникает магнитный порядок, связанный с намагниченностью за счет скошенных векторов подрешёток антиферромагнитного порядка. Однако в области температур 140-230 K наблюдается относительно большая магнитная восприимчивость, природа которой может быть связана с намагниченностью интерфейса. В отчетном году были осуществлены работы по исследованию возможности переключения проводящих свойств на границе сегнетоэлектрика и диэлектрика гетероструктуры Ba0.8Sr0.2TiO3/La2CuO4 путем воздействия света различного спектрального состава на сегнетоэлектрическую пленку и область интерфейса. В этих исследованиях использовалось лазерное излучение ультрафиолетового и зеленого света. При проведении этих экспериментов нам не удалось получить изменение проводящих свойств гетероструктуры Ba0.8Sr0.2TiO3/La2CuO4 путем воздействия света используемого спектрального состава на сегнетоэлектрическую пленку и область интерфейса даже в сочетании освещения с приложением внешнего электрического поля к сегнетоэлектрической плёнке. Также были проведены измерения эффекта Холла на гетероструктурах Ba0.8Sr0.2TiO3/LaMnO3. В ходе выполнения работ по проекту в этом году получены следующие результаты. В результате проведения ab initio моделирования были найдены структуры гетероинтерфейсов BaTiO3/LaMnO3, содержащих разное количество слоев сегнетоэлектрической пленки. Были проанализированы спектры плотности электронных состояний, и показано, что проводимость в системе возникает при увеличении числа слоев сегнетоэлектрика с двух до трех. При этом происходит не только смещение уровня Ферми в зону проводимости, но и закрытие запрещенной зоны для одной из спиновых компонент. При ab initio моделировании удалось показать, что в гетороструктуре BaTiO3/LaMnO3 возникает ферромагнитное упорядочение. В результате исследования процессов переключения высокопроводящей области на границе сегнетоэлектрика и диэлектрика в гетероструктуре Ba0.8Sr0.2TiO3/LaMnO3 при воздействии ультрафиолетового, зеленого и инфракрасного света на сегнетоэлектрическую пленку и область интерфейса путем освещения через поверхность с сегнетоэлектрической пленкой получены следующие результаты. Показано, что во всех трех случаях наблюдается увеличение сопротивления при освещении, то есть наблюдается своеобразный отрицательный эффект фотопроводимости. Величина изменения сопротивления при освещении составляет 2-15 %. Обнаружено, что результат от воздействия зеленого света на проводящие свойства интерфейса гетероструктур Ba0.8Sr0.2TiO3/LaMnO3 намного больше чем в других случаях. Показано, что можно периодически переключать проводимость гетероструктуры Ba0.8Sr0.2TiO3/LaMnO3 из более проводящего состояния в более высокоомное состояние и обратно. Определены характерные времена изменения сопротивления при этих процессах переключения состояний светом, которые составляют 4-12 секунд. Сделаны оценки по нагреву области интерфейса при освещении светом различного спектрально состава. Сделан вывод, что нагрев практически не происходит. Это связано, прежде всего, с тем, что освещение осуществляется расфокусированным лазерным пучком с диаметром пучка 4 мм при мощности около 20 мкДж. Поэтому плотность мощности на поверхности сегнетоэлектрической пленки очень мала, и нагрев поверхности может быть только порядка 0,1 К, а уже в области интерфейса он практически равен нулю. Отсутствие нагрева области интерфейса косвенно подтверждается тем фактом, что эффект при инфракрасном освещении наименьший, а именно инфракрасный свет мог бы более эффективно проходить при сегнетоэлектрическую пленку и поглощаться областью интерфейса. Сделано предположение, что наблюдаемый эффект связан с частичным внутренним экранированием поляризации в сегнетоэлектрической плёнке, так как возбуждение свободных носителей происходит наиболее эффективно при освещении сегнетоэлектрика именно зеленым светом, и эффект наибольший при таком освещении. В результате проведенных исследований по воздействию терагерцового излучения было выяснено, что при изменении температуры меняется пропускание LaMnO3 и области интерфейса, а спектр от пленки практически не изменяется. Таким образом, выяснено, что мягкая мода сегнетоэлектрического перехода мало меняется в этой области частот, поэтому эта частотная область терагерцового излучения перспективна для исследования состояния интерфейса. По результатам исследования магнитных свойств образцов гетероструктур Ba0.8Sr0.2TiO3/LaMnO3 до и после воздействия магнитного поля и освещения обнаружено изменение значений и температурной зависимости магнитной восприимчивости в области высокопроводящего состояния интерфейса гетероструктуры Ba0.8Sr0.2TiO3/LaMnO3. Проведенные измерения магнитной восприимчивости в широком интервале температур, включающем температурную область высокопроводящего состояния интерфейса гетероструктуры Ba0.8Sr0.2TiO3/LaMnO3, не указали однозначно на то, что в системе возникает магнитное упорядочение. Не удалось разделить вклады от подложки и области интерфейса. Это связано с тем, что ниже 140 K в монокристалле LaMnO3 возникает магнитный порядок, связанный с намагниченностью за счет скошенных векторов подрешёток антиферромагнитного порядка. Поэтому ниже 140 K наблюдается достаточно большой магнитный отклик, связанный с этой магнитной фазой подложки, и на фоне него отклик от интерфейса не может быть различим. Но в области температур 140-230 K наблюдается относительно большая магнитная восприимчивость, природа которой не однозначна и может быть связана с намагниченностью интерфейса. Поэтому есть надежда, что в этом отклике есть вклад от ферромагнитного состояния интерфейса. Этот вопрос будет прояснён при дальнейших исследованиях. В результате исследования свойств сверхпроводящего состояния на интерфейсе гетероструктуры Ba0.8Sr0.2TiO3/La2CuO4, состоящей из сегнетоэлектрика и диэлектрика, возможность переключения проводящих свойств на интерфейсе гетероструктуры Ba0.8Sr0.2TiO3/La2CuO4 путем воздействия ультрафиолетового (257 нм) и зеленого (514 нм) света на сегнетоэлектрическую пленку и область интерфейса не обнаружена, даже в сочетании освещения с приложением локального внешнего электрического поля к сегнетоэлектрической плёнке. Планируются дальнейшие исследования с применение лазерного света из другой спектральной области. Из проведенных измерений эффекта Холла на гетероструктуре Ba0.8Sr0.2TiO3/LaMnO3 была определена, в грубом приближении, плотность носителей в низкотемпературной фазе с высокой проводимостью, которая составляет порядка 10^{10}-10^{11} см^{-2}. Сложность получения точного значения для плотности носителей тока связана с тем, что при низких температурах подложка LaMnO3 обладает ненулевым магнитным моментом, который возникает за счёт скашивания магнитных подрешеток антиферромагнитного порядка. По результатам работы за год было подготовлено 7 статей. 3 статей из них опубликованы, 3 статьи приняты в печать, 1 статья находится в редакции (материалы этой статьи можно найти на Cond-Mat: arXiv:2012.01801). 1 статья, принятая в печать в прошлом году, опубликована в этом году. Результаты, полученные при работе над проектом, были доложены на Тринадцатом ежегодном заседании Научного Совета РАН по физике конденсированных сред и научно-практическом семинаре «Актуальные проблемы физики конденсированных сред», 23–26 ноября 2020 г., Черноголовка.