Аннотация результатов, полученных в 2016 году
В ходе выполнения этапа 2016 года по проекту РНФ № 16-12-10359 были получены следующие основные результаты: Осуществлен выбор образцов наноструктур, оптимальных для исследования в контакте с гелием-3. Синтезирована серия наноразмерных порошков трифторидов редких земель (РЗ) с характерным размером порядка нескольких нанометров. В результате исследований было установлено, что минимальный размер частиц трифторидов РЗ элементов удается получить при использовании т.н. хлоридной технологии. Методами коллоидной химии была синтезирована серия наноразмерных образцов DyF3 с характерным размером частиц 5 нм. Установлено отсутствие зависимости размера частиц от концентрации водных растворов первоначальных прекурсоров реакции (по данным результатам готовится статья для публикации). Все выбранные и синтезированные образцы наноструктур были охарактеризованы методами электронной сканирующей микроскопии и рентгеноструктурного анализа, построены распределения частиц наноразмерных порошков по размеру. Были проведены предварительные эксперименты по измерению времен восстановления продольной намагниченности T1 и спада поперечной намагниченности Т2 ядер 3He, находящихся в контакте с наноструктурами. Методом импульсного ЯМР исследована спин-решеточная релаксация 3Не в контакте с нитевидным упорядоченным Al2O3 аэрогелем при температуре 1.6 К в полях 0.1–0.5 Тл. Обнаружен дополнительный механизм релаксации 3Не в аэрогелях и показано, что данный механизм релаксации не является поверхностным. Наиболее вероятным механизмом релаксации представляется релаксация газообразного 3Не во флуктуирующих неоднородных магнитных полях, создаваемых парамагнитными центрами (ПЦ) (по данным результатам опубликована статья “Anomalous Nuclear Spin–Lattice Relaxation of 3Не in Contact with Ordered Al2O3 Aerogel”/ E. M. Alakshin, M. Yu. Zakharov, A. V. Klochkov, V. V. Kuzmin, K. R. Safiullin, A. A. Stanislavovas, M. S. Tagirov// JETP Letters. – 2016.– V.104, I.5.– P.325-328.) Впервые проведено исследование диффузии газа 3Не при температуре 4,2 К. Выявлено влияние адсорбированного слоя на диффузию 3Не в газовой фазе, также исследовано необычное поведение 3Не в газовой фазе. Установлено, что уплотнение газа связано с вандерваальсовскими силами со стороны поверхности аэрогеля, которые, возможно, также влияют и на диффузию газа. Существующие диффузионные модели, такие как модель Кнудсена или эмпирическая двухфазная диффузионная модель, которые широко используются для описания диффузии газов в пористых средах при комнатной температуре, не могут объяснить полученные в ходе данного проекта результаты. Было обнаружено сильное влияние адсорбированной пленки Не-3 на процессы диффузии газообразного Не-3. Экспериментально доказано, что адсорбция газа должна быть принята во внимание при исследовании процессов самодиффузии . Полученные результаты носят общий характер, а наблюдаемые эффекты могут существовать так же в диффузии жидкого 3Не при сверхнизких температурах в пористых средах (по данным результатам исследований подготовлена статья “Helium-3 gas self-diffusion in nematically ordered aerogel at low temperatures” Vyacheslav Kuzmin, Kajum Safiullin, Andrey Stanislavovas, and Murat Tagirov). Исследована спиновая кинетика 3Не в контакте с детонационными наноалмазами. Обнаружено сильное влияние адсорбированного 3He на общую релаксацию 3He в экспериментальной ячейке с образцом наноалмазов. Замена адсорбированного 3He на слой 4He замедляет время спин-решеточной релаксации примерно в 20 раз.Полученные линейные частотные зависимости времен релаксации T1 ядер адсорбированного, газообразного и жидкого 3He в контакте с образцом наноалмазов качественно совпадают с аналогичными зависимостями, полученными для образцов аэрогеля, однако времена спин-решеточной релаксации T1 ядер 3He на несколько порядков короче измеренных для 3He в контакте в различными диамагнитными образцами. Проведенные эксперименты с покрытием образца наноалмазов различным количеством адсорбированных слоев азота позволяют установить механизм релаксации ядер 3He вблизи поверхности наноалмазов. Полученные максимальные значения скоростей спин-решеточной релаксации ядер 3He адсорбированного слоя спадают по кубическому закону с увеличением количества адсорбированных слоев азота, а значит и с увеличением расстояния между ядрами 3He и поверхностью образца. Для ядер газообразного 3He наблюдается аналогичная зависимость. Также на основании полученных данных выявлены соотношения между температурами максимальных скоростей релаксации продольной намагниченности адсорбированных ядер 3He и степенью заполнения адсорбированного слоя, которая напрямую связана с подвижностью атомов 3He в нем. Определено, что полученные соотношения совпадают при покрытии образца одним и двумя слоями азота. Причем подобные соотношения для адсорбированного 3He на чистой поверхности образца наноалмазов качественно совпадают с ними, но находятся в области более высоких температур (2.9 – 3.9 К), что связано с различной величиной энергии адсорбции атомов 3He на поверхности наноалмазов и на поверхности азотной пленки. Обнаруженные соотношения позволяют связать наличие температурного максимума скорости релаксации продольной намагниченности ядер 3He с выполнением соотношения Omega*Tauc = 1, где Omega – резонансная частота, а Tauc – время корреляции локальных магнитных полей на поверхности образца. Это подтверждает гипотезу о релаксации ядер адсорбированного 3He через поверхностные парамагнитные центры наноалмазов. Полученные соотношения также позволяют провести оценки коэффициента диффузии D атомов 3He адсорбированных на поверхности наноалмазов, D = 3 х 10^-7 см2/с при заполнении слоя на x = 0.4-0.8. Установлено, что наличие большого числа парамагнитных центров на поверхности образца наноалмазов в условиях ограниченной геометрии приводит к сильному ускорению релаксации продольной намагниченности ядер 3He. При этом для 3He наблюдаются линейные частотные зависимости времен релаксации T1 (по результатам исследований готовится статья для публикации). В ходе работы была предложена и отработана методика покрытия поверхности наноструктур контролируемым количеством адсорбированных слоев азота, что позволит выявлять механизмы релаксации 3He в условиях ограниченной геометрии на следующих этапах работ по проекту. Были экспериментально исследованы образцы сверхтекучего 3Не-А в деформированном аэрогеле. Описание этих результатов и теоретическая модель образования БЭК в лёгкоосном антиферромагнитном жидком кристалле, которым является 3Не-А, готовятся к печати. Были поняты основные принципы образования БЭК в системах с отталкиванием магнонов. По аналогии с теорией БЭК в 3Не были проведены теоретические исследования процессов ядерной релаксации в антиферромагнетиках с Сул-Накамуровским взаимодействием (по данным результатам подготовлена статья “Ядерная магнитная релаксация, наведенная релаксацией электронных спинов”/ М.А. Борич, Ю.М. Буньков, М.И.Куркин, А.П. Танкеев. Статья принята к публикации в журнале Письма в ЖЭТФ).

Аннотация результатов, полученных в 2017 году
Основной целью проекта является изучение влияния наноограничений на спиновую кинетику и динамику гелия-3 при низких и сверхнизких температурах методами ядерного магнитного резонанса. Основными задачами проекта являются: проведение систематических исследований (экспериментальных и теоретических) механизмов магнитной релаксации ядер гелия-3 (адсорбированный слой, газообразный, жидкость, смеси 3Не-4Не) в условиях наноограничений (от десятков до суб нанометров) в пористых магнитных и немагнитных наноструктурах с возможностью влияния на поверхностную релаксацию до полного ее устранения, с целью получения "чистой" ограниченной геометрии; изучение новых состояний Бозе конденсации магнонов в различных наноструктурах; проверка законов квантовой теории поля в приложении к сверхтекучему 3Не. В рамках этапа 2017 года были получены температурные и полевые зависимости релаксационных и спектроскопических параметров сигнала ЯМР ядер 3He, находящихся в контакте с отобранными наноструктурами различного размера (аэрогели, наноразмерные порошки и др), релаксационные и спектроскопические параметры ядерных и электронных спинов твердотельной матрицы наноструктур. Были проведены предварительные эксперименты по модификации наноструктур для получения "чистой" ограниченной геометрии нано и субнанометрового диапазона. Были установлены основные механизмы магнитной релаксации ядер 3Не в условиях наноограничений в контакте с отобранными наноструктурами. Проведено сравнение между Бозэ конденсацией магнонов в сверхтекучем 3Не в деформированном аэрогеле, плёнках ЖИГ и антиферромагнетике MnCO3. В частности: Обнаружена анизотропия коэффициента спиновой диффузии 3He жидкой смеси 3He-4He в нитевидных ориентированных аэрогелях ниже температуры перехода в сверхтекучее состояние. Наблюдаемая анизотропия диффузии связана с кнудсеновской диффузией на нитях аэрогеля. Также обнаружено подавление диффузионного движения в порах более плотного аэрогеля, что вероятнее всего связано с влиянием ограниченной геометрии на некоторые свойства ротонов. Проведены также дополнительные измерения температурных зависимостей времен спин-решеточной релаксации ядер 3He смеси изотопов гелия в аэрогелях. По результатам смесевых экспериментов будет подготовлена статья для публикации в журнале Journal of Low Temperature Physics. Также была обнаружена анизотропия газовой диффузии 3Не в сжатом аэрогеле при 4.2 К. На этих образцах также был апробирован способ подавления влияния магнетизма наноструктур и адсорбированного слоя 3Не на ядерную магнитную релаксацию 3Не с помощью предварительной адсорбции азота и 4Не с целью получения "чистой" ограниченной геометрии. Разработан метод локализации парамагнитных центров в наноалмазах. Ядерная магнитная релаксация адсорбированного 3He использовалась в качестве зонда и исследовалась в диапазоне температур 1.5−4.2 K и в магнитных полях 100−600 мТл. Было обнаружено сильное влияние парамагнитных центров образца на время спин-решеточной релаксации T1 ядер 3Не. Покрытие поверхности наноалмазов слоями адсорбированного азота позволило варьировать расстояние от 3Не ядер до пармагнитных центров и определить их локализацию используя простую модель. Обнаруженные минимумы в температурной зависимости T1 хорошо описыаются в рамках предложенной модели и согласуются с данными ЭПР по концетрации ПЦ. Полученное расстояние от парамагнитных центров до поверхности наноалмазов (0.5±0.1 нм) подтверждают гипотезу о существовании таких центров в углеродной оболочке. Предложенный метод может быть использован для изучения других наноматериалов при низких температурах. Методом низкочастотной фазовой модуляции радиочастотного поля возбуждена низкочастотная мода коллективных колебаний бозе-эйнштейновского конденсата (БЭК) квази-ядерных магнонов в антиферромагнетике MnCO3 с сул-накамуровским взаимодействием. Данная мода колебаний аналогична Голдстоуновской моде крутильных колебаний, наблюдавшейся в антиферромагнитном сверхтекучем 3He–B. Полученные результаты наглядно демонстрируют существование БЭК в данных системах. Проведенные эксперименты показали подавление сигнала спинового эхо магнонным БЭК в MnCO3. Результаты подтверждают существование когерентного состояния в данных типах антиферромагнетиков. Предложено применение метода “switch-off” для исследования состояния БЭК в твердотельных антиферромагнетиках. Данный метод позволяет исключить влияние переходных процессов для образования БЭК в случае использования методов импульсного магнитного резонанса. Предложенный метод предпочтителен при исследовании твердотельных антиферромагнетиков, которые характеризуются высокой концентрацией дефектов и высокой неоднородностью локальных магнитных полей. Получены первые результаты образования магнонного БЭК в тонких плёнках Иттриевого Феррит-Граната (ЖИГ). Дальнейшие исследования этого явлению позволят сделать прорыв в области магноники, и в частности к разработке устройств супермагноники. В сотрудничестве с В. Сафоновым были проведены теоретические исследования критической концентрации магнонов в ферритах и антиферромагнетиках и было показано, что критический угол отклонения намагниченности для образования магнонной сверхтекучей жидкости в ЖИГ меньше одного градуса, что соответствует полученным экспериментальным данным По результатам выполнения гранта за 2016-2017 год было опубликовано 8 статей в реферируемых международных журналах (из них 3 статьи в журналах с рейтингом Q1). 1. Anomalous Nuclear Spin–Lattice Relaxation of 3Не in Contact with Ordered Al2O3 Aerogel / E. M. Alakshin, M. Yu. Zakharov, A. V. Klochkov, V. V. Kuzmin, K. R. Safiullin, A. A. Stanislavovas, M. S. Tagirov// JETP Letters. – 2016.– V.104, I.5.– P.325-328; 2. Nuclear Magnetic Relaxation Induced by the Relaxation of Electron Spins / M. A. Borich, Yu. M. Bunkov, M. I. Kurkin, and A. P. Tankeyev // JETP Letters. – 2017.– V.105, I.1.– P.21-25; 3. Helium-3 gas self-diffusion in a nematically ordered aerogel at low temperatures: enhanced role of adsorption / Vyacheslav Kuzmin, Kajum Safiullin, Andrey Stanislavovas and Murat Tagirov // Phys. Chem. Chem. Phys . – 2017. –V.19. – P.23146 – 23153 (Q1); 4. Angstrom-scale probing of paramagnetic centers location in nanodiamonds by 3He NMR at low temperatures / V. Kuzmin, K. Safiullin, G. Dolgorukov, A. Stanislavovas, E. Alakshin, T. Safin, B. Yavkin, S. Orlinskii, A. Kiiamov, M. Y. Presnyakov, A. Klochkov and M. Tagirov // Phys. Chem. Chem. Phys. – 2017. - DOI: 10.1039/C7CP05898E (Q1); 5. Голдстоуновская мода колебаний БЭК магнонов в MnCO3 / Ю.М.Буньков, А.В.Клочков, Т.Р.Сафин, К.Р.Сафиуллин, М.С.Тагиров // Письма в ЖЭТФ. – 2017. – Т.106., В.10. – С.646-650; 6. The 55Mn Spin Echo Test of Magnon BEC State in MnCO3 / Yu. M. Bunkov, A. V. Klochkov, T. R. Safin, K. R. Safiullin, M. S. Tagirov // Appl. Magn. Reson. – 2017. – V. 48. –P. 625–633; 7. The magnon BEC observation by switch off method / Yury Bunkov // Low Temperature Physics. – 2017. – V.43. – P. 930 - 935; 8. Magnon Condensation and Spin Superfluidity / Y.M. Bunkov, V.L. Safonov // Journal of Magnetism and Magnetic Materials – 2017. - doi:10.1016/j.jmmm.2017.12.029 (Q1).

Аннотация результатов, полученных в 2018 году
В отчетном 2018 году в рамках проекта РНФ №16-12-10359 была проведена модификация наноструктур для получения "чистой" ограниченной геометрии нано и субнанометрового диапазона и измерены температурные и полевые зависимости спиновой кинетики 3He в условиях "чистой" ограниченной геометрии. Были созданы экспериментальные методики модификации спектра диффузионного движения и спиновой кинетики ядер 3He в нанопорах за счет изменения концентрации смеси 3He-4He. Было проведено обобщение результатов экспериментальных и теоретических исследований спиновой кинетики гелия-3 в условиях нанограничений методами магнитного резонанса. Были созданы теоретические модели влияния наноограничений на спиновую кинетику 3He. Были проведены исследования по образованию квазичастиц Майораны на поверхности сверхтекучего 3He. Были получены и изучены свойства магнонного Бозе конденсата в железо-иттриевом гранате методами импульсного и непрерывного магнитного резонанса, на основе разработанных методик исследования Бозе конденсации магнонов в сверхтекучем 3He. Были исследованы спин-спиновая и спин-решеточная релаксация ядер 3He на нанопорошках TiO2 и CdS (размеры частиц около 5 нм) методом импульсного ЯМР на частотах 5-20 МГц при температурах 1,5-4,2 К. Была получена «чистая» ограниченная геометрия для нанопорошков TiO2 и CdS при помощи модификации поверхностей адсорбированным 4He. Были проведены измерения температурных, полевых и концентрационных зависимостей времен спин-решеточной и спин-спиновой релаксации ядер адсорбированного 3He на поверхности модифицированного азотом и немодифицированного нанопорошков TiO2 и CdS при температурах 1,5-4,2 К. Обнаружено увеличение времени релаксации при частичной замене в адсорбированном слое 3He на 4He в образце TiO2. Были проведены измерения концентрационных и полевых зависимостей времен спин-решеточной и спин-спиновой релаксации ядер газообразного 3He в поровом пространстве нанопорошков TiO2 и CdS, покрытых слоем немагнитного 4He, в серии экспериментов нанопорошок TiO2 также предварительно был модифицирован преадсорбированным слоем азота. Были проведены измерения полевых зависимостей времен спин-решеточной и спин-спиновой релаксации ядер жидкого 3He в поровом пространстве нанопорошка TiO2, покрытого слоем немагнитного 4He и немодифицированного гелием-4 при температуре 1,5 К. Были предложены и рассмотрены теоретические модели спин-решеточной релаксации 3He в порошках наноалмазов, наночастиц TiO2, CdS и в высокопористых ориентированных аэрогелях различной плотности при температурах 1,5-4,2 К. Было обнаружено, что для адсорбированного 3He на поверхности TiO2 основным механизмом релаксации является диполь-дипольная релаксация в двумерной пленке 3He, а для CdS – комбинация релаксации через парамагнитные примеси образца CdS и диполь-дипольная релаксация в двумерной пленке 3He. Обнаружено, что в присутствии адсорбированного 3He релаксация намагниченности ядер газообразного и жидкого 3He осуществляется при помощи быстрого обмена с адсорбированным слоем. Обнаружено, что в отсутствие адсорбированного 3He релаксация газообразного 3He осуществляется по механизму, схожему на релаксацию обусловленную ограниченной геометрией порового пространства образца TiO2. Обнаружено, что в отсутствие адсорбированного 3He достаточно быстрая релаксация газообразного и жидкого 3He происходит благодаря парамагнитным примесям образца CdS. Показано, что в порошках наночастиц TiO2 и CdS релаксация 3Не в газовой фазе достаточно эффективна в сравнении с поверхностной релаксацией, однако если в случае CdS основным источником релаксации являются парамагнитные центры, то в случае TiO2, по видимому, дипольная релаксация 3Не в газе в условиях наноограничений является доминирующей. Обнаружено, что предварительное покрытие поверхности аэрогеля адсорбированным азотом слабо влияет на скорость релаксации ядер в газе. Предложена модель, включающая в себя некоторое количество «грязных» нитей, с повышенной концентрацией парамагнитных центров, в окружении «чистых» нитей. Была исследована самодиффузия атомов 3Не в пяти образцах нитевидного ориентированного аэрогеля различной плотности при температурах 1,5 и 4,2 К. Показано, что на диффузию 3He в газе сильно влияет адсорбированный слой. По результатам исследований подготовлены статьи: “Reply to Comment on "angstrom-scale probing of paramagnetic centers location in nanodiamonds by 3He NMR at low temperatures" by A. Shames, V. Osipov and A. Panich,: Phys. Chem. Chem. Phys. 2018, 20, DOI: 10.1039/c8cp03331e” / V. Kuzmin, K. Safiullin, G. Dolgorukov, A. Stanislavovas, E. Alakshin, B. Yavkin, S. Orlinskii, A. Klochkov, M. Tagirov // Phys. Chem. Chem. Phys. – 2018. – V.20. – P.27697; “3He magnetic relaxation in nematically ordered Al2O3 aerogel: effects of 4He and nitrogen pre-plating” / A. Stanislavovas, V. Kuzmin, K. Safiullin, E. Alakshin, A. Klochkov, M. Tagirov, A. Rodionov – отправлена в редакцию научного журнала Journal of Low Temperature Physics. Также по результатам исследований релаксации 3Не в TiO2, представленных в данной части, готовится статья для публикации. Обнаружено отклонение в значение теплоемкости сверхтекучего 3He-B при температурах порядка 100 мкК. Наблюдаемая дополнительная теплоемкость в несколько раз превышает объемную теплоемкость сверхтекучего 3He-B. Были проведены оценки вкладов в теплоемкость от квазичастиц Боголюбова и Майорано, также были оценены значения теплоемкости с учетом возможного вклада от адсорбированных слоев 3He. Оказалось, что полученные данные хорошо описываются расчетами с учетом вклада от квазичастиц Майорано. Однако, величина вклада была в 10 раз выше ожидаемой. Были проведены исследования поверхности отоженной меди, из которого изготавливались экспериментальные ячейки. Оказалось, что площадь поверхности на порядки больше геометрической, что связано с возникновением трехмерной структуры монокристаллов меди после отжига поверхности. Таким образом, удалось объяснить различную величину вклада. Можно сделать вывод, что квазичастицы Майорано были экспериментально обнаружены в сверхтекучем 3He-B путем прямого измерения теплоемкости в экспериментальных ячейках. По результатам исследований готовится статья к публикации в Nature Physics. Пленки железо-иттриевом граната были исследованы методами импульсного и непрерывного ферромагнитного резонанса. Был обнаружен и исследован долгоживущий сигнал индукции – одно из ключевых свойств Бозе конденсата магнонов. Проведены детальные исследования и анализ экспериментальных данных, полученных методом непрерывного ферромагнитного резонанса. Были проведены расчеты углов отклонения намагниченности в зависимости от сдвига частоты и показано, что амплитуда сигнала совершенно не зависит от мощности радиочастотной накачки. Этот результат является прямым следствием Бозе конденсации магнонов с k = 0 в железо-иттриевом гранате. Также были продолжены исследования процесса формирования Бозе конденсации магнонов в антиферромагнетике MnCO3 при нерезонансном возбуждении. Была получена эмпирическая зависимость, описывающая экспериментальные данные, которая возможно применима и в других системах, в частности в железо-иттриевом гранате. По результатам исследований железо-иттриевого граната подготовлена статья “Conventional magnon BEC in YIG film ” / Yu.M. Bunkov, A.R. Farhutdinov, A.V. Klochkov, G.V. Mamin, S.B. Orlinskii, T.R. Safin, M.S. Tagirov, P.M. Vetoshko, D.G. Zverev и отправлена в редакцию журнала Nature Physics. По результатам исследований антиферромагнетика MnCO3 статья “Нерезонансное возбуждение бозе–эйнштейновского конденсата магнонов в MnCO3” / Ю.М. Буньков, А.В. Клочков, Т.Р. Сафин, К.Р. Сафиуллин, М.С. Тагиров –принята к публикации в журнале Письма в ЖЭТФ.