Открыт новый полупроводник на основе углеводорода с «гиперкубическими» молекулами

Исследователи Института нанотехнологий в электронике, спинтронике и фотонике (ИНТЭЛ) НИЯУ МИФИ смоделировали и рассчитали свойства трехмерных кристаллов из молекул «гиперкубана»- углеводорода с молекулами т.н гиперкубической формы. Выяснилось, что некоторые кристаллы гиперкубана являются полупроводниками, которые в будущем могут быть использованы в электронике и оптике. 

Куб – одна из самых простых и «естественных» геометрических фигур. Однако в мире углеводородных молекул, которые принимают самые причудливые формы, куб является экзотикой. 

Молекула кубана C₈H₈, имеющая кубическую форму, была синтезирована в 1964 году путем сложной многоступенчатой реакции. Кубан оказался сверхплотным углеводородом, почти вдвое плотнее бензина. Несмотря на сложность синтеза, это соединение не только продемонстрировало высокую устойчивость, но и стало родоначальником целого семейства производных молекул, которые нашли применения в качестве энергоэффективных топлив и лекарств. 

Вдохновляясь успехом кубана и фантастическим сериалом «Кинематографическая вселенная Marvel», химик Фабио Пичиерри в 2014 году предложил еще более сложную углеводородную молекулу – гиперкубан. Она имеет две оболочки, вложенные одна в другую, и напоминает проекцию четырехмерного куба (гиперкуба) на трехмерное пространство видимые трехмерные кубы представляют собой грани гиперкуба.

Исследователи НИЯУ МИФИ начали изучать эту молекулу в 2017 году, рассказал профессор ИНТЭЛ НИЯУ МИФИ Михаил Маслов.

«Казалось, что молекула такой формы должна моментально рассыпаться. Однако наши расчеты показали, что при комнатной температуре она может прожить около 3 миллионов лет», - отметил он.

В 2020 году китайские ученые исследовали двумерные кристаллы на основе молекулы гиперкубана. Сотрудники НИЯУ МИФИ решили пойти дальше и проверить, не может ли гиперкубан образовывать трехмерные кристаллы. Для этого они построили структурные модели таких кристаллов и решили квантово-механические уравнения, которые описывают поведение их электронов. Результаты превзошли все их ожидания, отметил профессор ИНТЭЛ НИЯУ МИФИ Константин Катин.

Исследователи установили, что из-за своей необычной структуры гиперкубан может образовывать аллотропные формы со всеми тремя типами кубических кристаллических решеток: простой кубической, объемно-центрированной и гранецентрированной. 

«Первые две формы оказались полупроводниками, а последняя – проводником. Необычное электронные и оптические свойства кристаллических форм, а также их прочность и стабильность делают их полезными материалами для изготовления фотокализаторов и электронных устройств», - рассказал Константин Катин.

Ученые НИЯУ МИФИ продолжают изучать гиперкубан. Следующим шагом станет оценка потенциала использования этого материала в литий-ионных аккумуляторах. Чем более впечатляющие результаты будут получены в рамках теоретического моделирования, тем сильнее будут стимулы для скорейшего синтеза и производства гиперкубанов, считают авторы исследования.

Результаты работы опубликованы в научном журнале Materials Today Communications.

Равнение – на центр Галактики

Ученые Научно-образовательного центра (НОЦ) НЕВОД НИЯУ МИФИ подвели итог десятилетнего эксперимента по изучению космических лучей сверхвысоких энергий, в результате которого обнаружили анизотропию этих лучей и определили ее параметры. Результаты исследования опубликованы в высокорейтинговом научном журнале Astrophysical Journal.

Космические лучи – это частички материи, к которым относятся стабильные элементарные частицы (фотоны, нейтрино, электроны, протоны) и ядра химических элементов, летящие к нам из космоса с огромной скоростью близкой к скорости света. При энергиях порядка 10¹⁵ электронвольт траектории заряженных частиц запутываются в магнитных полях нашей Галактики и создаются условия для их диффузии, сообщил кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник НОЦ НЕВОД НИЯУ МИФИ Михаил Амельчаков.

«Космические лучи ведут себя подобно капле краски, попавшей в стакан с водой. Частицы «убегают» из области с большой концентрацией. Если мы наблюдаем эффект диффузии космических лучей на Земле, то с учётом суточного вращения Земли на однородном фоне потока космических лучей в пространстве, окружающем Землю, с двух противоположных сторон будут присутствовать два полюса. На одном полюсе будет избыток частиц, а на другом - их недостаток», - рассказал он.

По его словам, теория диффузного распространения космических лучей, разработанная советскими учёными, предсказывает, что космические лучи обладают анизотропией – то есть у частиц, летящих с разных направлений оказываются разные свойства и параметры. Эта анизотропия определяется вектором, направленным из центра нашей Галактики.

Ранее ученые установили, что поток космических лучей быстро уменьшается с увеличением их энергии. Интенсивность потока при сверхвысоких энергиях падает настолько, что их регистрация на спутниках (вне атмосферы Земли) и высотных аэростатах становится нерациональной. Но, попадая в атмосферу, космические лучи рождают каскады вторичных частиц, включая элементарные частицы мюоны, и эти каскады, развиваясь широким фронтом, движутся к поверхности Земли, сохраняя направление первичной частицы.

«Такое явление получило название «широкий атмосферный ливень». Достигая поверхности Земли, широкий атмосферный ливень может накрывать огромные площади, и поэтому исследования космических лучей при энергиях более 10¹⁵ эВ осуществляются на наземных установках», - рассказал Михаил Амельчаков.

Установок для исследования космических лучей около поверхности земли создано уже достаточно много в разных местах на земном шаре, и каждая по-своему уникальна. Использование различных условий и методов регистрации позволяет учёным выявлять неизвестные физические эффекты. 

Одной из таких уникальных установок является координатно-трековый детектор ДЕКОР, созданный в сотрудничестве с итальянскими физиками в НИЯУ МИФИ  в Экспериментальном комплексе НЕВОД. Благодаря своей уникальной конструкции, ДЕКОР регистрирует треки мюонов в широком диапазоне зенитных углов от 0° до 90°. Мюоны обладают хорошей проникающей способностью и с хорошей точностью сохраняют направление движения первичных космических лучей. 

Исследователи Экспериментального комплекса НЕВОД собирали данные для изучения анизотропии космических лучей на протяжении 10 лет, с 2012 по 2022 года.

«Мы создали и разработали ряд методов обработки данных для проведения исследования, такие как метод учёта влияния метеорологических эффектов на интенсивность групп мюонов, метод учёта конструктивных особенностей детектора и неоднородности эффективности регистрации по разным направлениям, а также метод оценки первичных энергий космических лучей. В методе оценки первичной энергии мы впервые использовали кратность зарегистрированных треков мюонов в зависимости от зенитного угла их прилёта», - отметил Михаил Амельчаков.

В результате исследователи обнаружили наличие анизотропии космических лучей при энергиях около 10¹⁵ эВ и определили ее параметры (амплитуду и направление). По словам ученых, полученные данные согласуются с результатами исследований на других установках и с теорией диффузного распространения космических лучей в направлении от центра Галактики.

Работа выполнена на Уникальной научной установке «Экспериментальный комплекс НЕВОД» при финансовой поддержке Государственного задания № 0723-2020-0040 Минобрнауки РФ, проект «Фундаментальные проблемы космических лучей и темная материя» и Государственного задания № FSWU-2023-0068, проект «Фундаментальные и прикладные исследования космических лучей».

Разработанная в НИЯУ МИФИ теория поможет создавать новые источники излучения

Обратное комптоновоское рассеяние - очень важный физический эффект, который заключается в том, что при столкновении фотона с движущимся электроном электрон в некоторых случаях теряет часть энергии, а фотон- наоборот, приобретает. Используя обратное комптоновское рассеяние на физических установках, например, создают фотоны сврехвысоких энергий. Исследователи из Международной научно-исследовательской лаборатории  «Излучение заряженных частиц» НИЯУ МИФИ, ведущие исследования в области фотоники, построили обобщенную теорию обратного комптоновского рассеяния в терминах светимости, подходящую как для классического, так и для квантового режима. Этот процесс является одним из перспективных способов генерации излучения в широком диапазоне частот, от рентгеновского до терагерцового. 

Разработка способов получения такого излучения стала крайне актуальной в последнее десятилетие из-за широкой области применений, включая диагностику плазмы, радары высокого разрешения, биомедицинские исследования и высокоскоростную связь. Полученная учеными НИЯУ МИФИ теория позволяет найти оптимальные параметры процесса, в частности углы поворота электронного и лазерного пучков. Эти результаты оптимизируют процесс комптоновского рассеяния, многократно увеличивая светимость, что будет способствовать разработке более яркого и компактного источника терагерцового излучения (или Т-лучей). 

Результаты опубликованы в статье A. P. Potylitsyn, D. V. Gavrilenko, M. N. Strikhanov, and A. A. Tishchenko, Crab crossing in inverse Compton scattering, Phys. Rev. Accel. Beams 26, 040701 (2023). Исследование проведено при поддержке программы «Приоритет 2030».

Константин Фрумкин

Начальник отдела по работе со СМИ

Национального исследовательского ядерного университета МИФИ

Тел. +79163323577

Email KGFrumkin@mephi.ru