Оптическая спектроскопия

Лаборатория
Фурье-спектроскопии и эллипсометрии

Широкодиапазонная оптическая спектроскопия (190 нм — 1 мм) сверхпроводников и квантовых материалов методами инфракрасной Фурье спектроскопии (в том числе микроскопии) и спектральной эллипсометрии при температурах 4-300К.

Основными материалами для исследований являются монокристаллы (в том числе, слоистые, с необработанной поверхностью), плёнки и квантовые структуры.

Оптическая спектроскопия является важным методом исследования электродинамики в физике конденсированного состояния. Целью исследования является получение спектров оптических функций (комплексной диэлектрической проницаемости, комплексного показателя преломления, оптической проводимости), интерпретация которых в свою очередь дает информацию о механизмах их формирующих.

Характерные энергии значительной части явлений в твердых телах соответствуют диапазону от видимого излучения до дальнего инфракрасного диапазона, что проявляется в спектрах оптических функций. Таким образом широкодиапазонная спектроскопия становится источником информации о структуре энергетических зон, динамике носителей заряда, примесных уровнях, локализованных дефектах, фононных колебаниях, магнитных возбуждениях и других.

Таким образом, для получения наиболее точной и полной информации о материале, а также для разделения различных вкладов, формирующих спектр, необходимо получить спектры оптических функций во всем доступном для измерения оптическом диапазоне.

Для измерений в инфракрасном диапазоне 10-10000 см^-1(длина волны 1 см – 1 мм) используется методика Фурье-спектроскопии отражения или пропускания. Результаты дополняются результатами эллипсометрии в диапазоне длин волн 190 нм – 2.5 мкм (4000-52 000 cm^-1).

Оптическая спектроскопия является также важным инструментом при исследовании сверхпроводников. Открытие сверхпроводящей щели проявляется в оптических спектрах в дальнем ИК диапазоне. Анализ спектров позволяет определить важнейшие параметры сверхпроводящего конденсата, такие как величины и количество СП щелей и их анизотропию, глубину проникновения магнитного поля и плотность сверхпроводящего конденсата.

Инфракрасный Фурье-спектрометр высокого разрешения Bruker Optics IFS125HR.

Спектральный эллипсометр Woollam VASE с высоковакуумным криостатом Janis CRF 725V.

(a) Экспериментальные широкодиапазонные спектры отражения пленки Ba(Fe0.95Ni0.05)2As2 при различных температурах. Пунктиром показан результат обработки в рамках модели Друде–Лоренца. На вставке подробно показан рост ИК отражения в области 60 см-1, связанный со сверхпроводящим переходом в пленке. (b) Данные по оптической проводимости вместе и результаты разложения на компоненты в рамках модели Друде-Лоренца при температурах 4, 20 и 50К, соответственно. «Зашумленные» области ниже 55 см-1 и выше 4000 см-1 получены прямым образом соответственно из данных терагерцовой спектроскопии и эллипсометрии. Красные штрих-пунктирные линии демонстрируют открытие СП щелей.

Оптические исследования пленок
Ba(Fe_1-xNi_x)₂As₂

Методами терагерцовой спектроскопии, инфракрасной Фурье спектроскопии отражения и спектральной эллипсометрии при температурах 4-300К выполнены исследования оптических и скрытых транспортных свойств тонких пленок высокотемпературного сверхпроводника Ba(Fe_1-_xNi_x)₂As₂ (х = 0,035, Тс = 21,1К; х = 0,045, Т_с = 20К; х = 0,05, Т_с = 21,6К; х = 0,08, Т_с = 10,3К) в широком спектральном диапазоне 10 – 50 000 см^-1. Определены величины сверхпроводящих (СП) щелей и другие параметры СП состояния (температурные зависимости оптической проводимости, лондоновской глубины проникновения, СП плазменных частот и плотности СП конденсата), а также температурные зависимости таких параметров нормального состояния как оптические проводимости, плазменные частоты и скорости рассеяния. Продемонстрировано ферми-жидкостное поведение для оптимально допированных (х = 0,045, 0,05) и передопированных (х = 0,08) пленок, в то время как недодопированные пленки (х = 0,035) характеризуются неферми-жидкостным поведением. Для анализа экспериментальных данных применена простая трехзонная модель Элиашберга, предполагающая формирование куперовских пар за счет антиферромагнитных спиновых флуктуаций. Температурная зависимость удельного сопротивления пленок проанализирована в рамках модели Аллена, обобщенной для многозонных систем. Сравнение определенных СП щелей для Ni-Ba122 с другими железосодержащими пниктидами Co-Ba122 и Pt-Ba122 с тем же уровнем электронного допирования показывает, что одинаковые концентрации электронного допанта в этих соединениях одинаково влияют на критическую температуру Т_с и величину СП щели, т.е., механизм сверхпроводимости в этих соединениях не зависит от замены аналогичного допанта и не подвержен тонкой настройке.

Journal of Physics and Chemistry of Solids, Vol. 196 112364 (2025).
Solid State Sciences,Vol. 160 107787 (2025).

Электронная зонная структура и собственное допирование, вызванное антиструктурными дефектами, в MBE пленках MnTe∙Bi_(2-x)Te_3(1-x/2)(0≤x<2): Исследование методами эллипсометрии и ИК- спектроскопии

Собственные антиструктурные дефекты, которые вызывают допирование в антиферромагнитных топологических изоляторах семейства MnTe∙Bi₂Te₃ (n=1, 2, 3, …), оказывают влияние на положение уровня Ферми (E_F) и магнитные свойства этих материалов, что мешает исследованию Дираковских состояний. В настоящей работе, пленки MnTe∙Bi_(2-x)Te_3(1-x/2), выращенные методом MBE на подложках Si(111) при увеличением содержания Bi и Te от MnTe до MnBi₂Te₄, были исследованы методом спектроскопической эллипсометрии в спектральном диапазоне 0.5-6.5 эВ. Кроме этого, были исследованы инфракрасные (ИК) спектры отражения и пропускания. Измеренные эллипсометрические углы, Ψ(ω) и Δ(ω), были смоделированы в двух- или трехслойной модели. В результате были определены спектры комплексной диэлектрической функции ε*(ω) = ε₁(ω) + iε₂(ω), комплексного показателя преломления n*(ω) = n(ω) + ik(ω) и оптической проводимости σ₁(ω). Было обнаружено, что абсолютные значения ε₁(ω) и ε₂(ω) увеличиваются при увеличении содержания Bi и Te от MnTe до MnBi₂Te₄, в то время как максимум ε₂(ω) систематически смещается в сторону более низких энергий фотонов от ~3.7 эВ до ~1.2 эВ, которые характерны для исходных соединений MnTe и MnBi₂Te₄, соответственно. Пленка MnBi₂Te₄ стехиометричного состава демонстрирует вклад типа Друде в дальнем ИК-диапазоне, связанный с собственными антиструктурными дефектами. Однако, в пленках MnTe∙Bi_(2-x)Te_3(1-x/2) с пониженной стехиометрией по Bi и Te, вклад свободных носителей заряда подавлен, наблюдается заметная перестройка электронной зонной структуры, выраженная в перераспределении оптического спектрального веса.

N. N. Kovaleva et al. Appl. Phys. Lett. 125, 262404 (2024).

Контроль Моойи корреляций в наноразмерных многослойных магнитных структурах Ta-FeNi

Явления локализации в сильно разупорядоченных металлах, близких к экстремальным условиям, определяемым пределом Мотта-Иоффе-Регеля (MIR), при котором длина свободного пробега электронов приблизительно равна межатомному расстоянию, являются фундаментальной проблемой. Чтобы пролить свет на явления локализации, были изучены свойства dc транспорта и оптической проводимости наноразмерных многослойных пленок, состоящих из неупорядоченных металлических слоев Ta и магнитных наноостровковых слоев FeNi, в которых гигантские магнитные моменты ферромагнитных наноостровков FeNi взаимодействуют за счет косвенных обменных сил, действующих через электронную подсистему Ta по механизму RKKY. Было обнаружено, что явления локализации в неупорядоченном слое Ta приводят к уменьшению вклада Друде свободных носителей заряда и появлению низкоэнергетических электронных возбуждений в спектральном диапазоне 1-2 эВ, характерных для электронных корреляций, которые могут сопровождаться образованием электронных неоднородностей. Систематическое исследование dc транспорта и оптической проводимости позволило обнаружить, что увеличение толщины слоя FeNi через порог перколяции приводит к делокализации электронов Ta из связанных локализованных электронных состояний. Напротив, мы обнаружили, что когда слой FeNi является прерывистым и представлен случайно распределенными суперпарамагнитными наноостровками FeNi, нормированная dc проводимость слоя Ta падает ниже предела MIR примерно на 60%. Обнаруженный эффект, приводящий к падению dc проводимости ниже предела MIR, может быть связан с неэргодичностью системы и чисто квантовыми (многочастичными) явлениями локализации, которые необходимо дополнительно исследовать.

N. N. Kovaleva et al. Sci. Rep. 10, 21172 (2020).

Yurii A. Aleshchenko, Andrey V. Muratov, Elena S. Zhukova, Lenar S. Kadyrov, Boris P. Gorshunov, Giovanni A. Ummarino, Ilya A. Shipulin “THz optical response of Ba(FeNi)As films analyzed within the three-band Eliashberg s-wave model” Journal of Physics and Chemistry of Solids, Vol. 196 112364 (2025) https://doi.org/10.1016/j.jpcs.2024.112364
Yurii A. Aleshchenko, Andrey V. Muratov, Elena S. Zhukova, Lenar S. Kadyrov, Boris P. Gorshunov, Giovanni A. Ummarino, Ilya A. Shipulin “Optical and transport properties of Ba(FeNi)As films” Solid State Sciences Vol. 160 107787 (2025) https://doi.org/10.1016/j.solidstatesciences.2024.107787
Kovaleva N. N., “Fingerprints of Mott-Hubbard physics in optical spectra of antiferromagnetic LaTiO3”, J. Alloys Compd. Vol. 976, 173192 (2024) https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2023.173192
N. N. Kovaleva, D. Chvostova; A. V. Muratov, T. N. Fursova, S. I. Bozhko, Yu. A. Aleshchenko, A. Dejneka, K. I. Kugel, D. V. Ishchenko, O. E. Tereshchenko “Electronic band structure vs intrinsic antisite doping in the MBE grown films MnTe Bi(2−x)Te3(1−x/2) (0 x < 2): Evidence from spectroscopic ellipsometry and infrared studies” Appl. Phys. Lett. Vol. 125 Iss. 26 262404 (2024) https://doi.org/10.1063/5.0238665
В. С. Кривобок, Г. Н. Ерошенко, А. В. Муратов, С. Н. Николаев, А. В. Клековкин, И. И. Минаев, К. А. Савин, Д. А. Пашкеев, А. Р. Дубовая, Ю. А. Алещенко, С. И. Ченцов, “ Одноэлектронный спектр короткопериодной InAs/GaSb сверхрешетки с интерфейсной компенсацией напряжений ”, пЖЭТФ т.120 вып.5 с.354-358 2024https://doi.org/10.31857/S0370274X24090069
E.V. Tarkaeva, V.A. Ievleva, A.I. Duleba, A.V. Muratov, A.M. Ionov, S.G. Protasova, A. Yu. Kuntsevich, “Amorphous VOx films with a high temperature coefficient of resistance for bolometric applications grown by reactive e-beam evaporation of V metal”, Opt. Mater. Vol 151 115378 (2024) https://doi.org/10.1016/j.optmat.2024.115378
Sergey I. Kudryashov, Pavel A. Danilov, Victor G. Vins, Evgeny V. Kuzmin, Andrey V. Muratov, Nikita A. Smirnov, Daniil A. Pomazkin, Peter P. Paholchuk, Evgeny A. Vasil’ev, Alexey N. Kirichenko, Alexey V. Gorevoy, Nikolay B. Rodionov, “Intrapulse in situ Raman probing of electron, phonon and structural dynamics in synthetic diamond excited by ultrashort laser pulses: Insights into atomistic structural damage”, Carbon, Vol. 217 118606 (2024) https://doi.org/10.1016/j.carbon.2023.118606
Kovaleva N. N., “Lattice-dynamics study of Raman-active modes in LaTiO3”, Phys. Lett. A, Vol. 479, 128942 (2023) https://doi.org/10.1016/j.physleta.2023.128942
Sergey I. Kudryashov, Victor G. Vins, Pavel A. Danilov, Evgeny V. Kuzmin, Andrey V. Muratov, Galina Yu. Kriulina, Jiajun Chen, Alexey N. Kirichenko, Yulia S. Gulina, Sergey A. Ostrikov, Peter P. Paholchuk, Michael S. Kovalev, Nikolay B. Rodionov, Alexey O. Levchenko, “Permanent optical bleaching in HPHT-diamond via aggregation of C- and NV-centers excited by visible-range femtosecond laser pulses”, Carbon Vol. 201 pp 399-407 (2023) https://doi.org/10.1016/j.carbon.2022.09.040
Sergey Kudryashov, Elena Rimskaya, Evgeny Kuzmin, Galina Kriulina, Victoria Pryakhina, Andrey Muratov, Roman Khmelnitskii, Evgeny Greshnyakov, Pavel Danilov and Vladimir Shur, “Advanced Mapping of Optically-Blind and Optically-Active Nitrogen Chemical Impurities in Natural Diamonds” Chemosensors 11(1) 24 (2023) https//doi.org/10.3390/chemosensors11010024
Sergey Kudryashov, Pavel Danilov, Evgeny Kuzmin, Nikita Smirnov, Alexey Gorevoy, Victor Vins, Daniil Pomazkin, Petr Paholchuk, Andrey Muratov, Alexey Kirichenko, Nikolay Rodionov and Evgeny Vasil’ev, “Productivity of Concentration-Dependent Conversion of Substitutional Nitrogen Atoms into Nitrogen-Vacancy Quantum Emitters in Synthetic-Diamond by Ultrashort Laser Pulses” Micromachines 14(7) 1397 (2023) https://doi.org/10.3390/mi140713975 ЖЭТФ
Sergey Vyatkin, Pavel Danilov, Nikita Smirnov, Daniil Pomazkin, Evgeny Kuzmin, Alexey Gorevoy, Andrey Muratov, Ivan Matyaev and Sergey Kudryashov, “Electron Paramagnetic Resonance Sensing of «Hidden» Atomistic and Cooperative Defects in Femtosecond Laser-Inscribed Photoluminescent Encoding Patterns in Diamond Photonics” Photonics 10(9) 979 (2023) https://doi.org/10.3390/photonics10090979
N. E. Sluchanko, E. S. Zhukova, L. N. Alyabyeva, B. P. Gorshunov, A. V. Muratov, Yu. A. Aleshchenko, A. N. Azarevich, M. A. Anisimov, N. Yu. Shitsevalova, S. E. Polovets & V. B. Filipov “Collective and Quasi-Local Modes in the Optical Spectra of YB6 and YbB6 Hexaborides with Jahn–Teller Structural Instability”, JETP vol 136 No 2 p 148 (2023) https://doi.org/10.1134/S1063776123020061

Публикации

N.N. Kovaleva, O.E. Kusmartseva, A. Maljuk, Raman Scattering Study and Lattice-Dynamics Calculations in YTiO3: Precursor of the Magnetic Phase Transition in the Phonon Anomalies, Physics Letters A 430, 127985-1-7 (2022) DOI:10.1016/j.physleta.2022.127985
N. Kovaleva, D. Chvostova, L. Fekete, A. Dejneka, Bi layer properties in the Bi-FeNi GMR-type structures probed by spectrosopic ellipsometry, Coatings 12 (6), 872-1-13 (2022). DOI: 10.3390/coatings12060872
Elena S Zhukova, Aleksander Melentiev, Boris P Gorshunov, Andrey V Muratov, Yurii A Aleshchenko, Andrey Azarevich, Kirill Krasikov, Natalya Yu. Shitsevalova, Volodymyr B Filipov and N E Sluchanko, Low-temperature infrared spectroscopy of the strongly correlated semiconductor Tm0.19Yb0.81B12 with dynamic charge stripes, J. Phys.: Condens. Matter, Vol. 34, No. 46, 465603 (2022); DOI: 10.1088/1361-648X/ac920b
Antonio Gallerati, Giovanni Modanese, Giovanni Alberto Ummarino and Yurii Aleshchenko, Editorial: Interaction Between Macroscopic Quantum Systems and Gravity, Frontiers in Physics, 10:1058690 (2022); DOI: 10.3389/fphy.2022/1058690
Oleg Klimenko, Simone Schuler, Andrey Muratov, Vyacheslav Semenenko, Evgeny Gorbachev, Thomas Mueller, and Vasili Perebeinos. Tunable graphene plasmons in nanoribbon arrays: the role of interactions. Optical Materials Express 11 (5), 1390-1400 (2021)
Yu A Aleshchenko, A V Muratov, G A Ummarino, S Richter, A Anna Thomas and R Hühne. Optical and hidden transport properties of BaFe1.91Ni0.09As2 film. J. Phys.: Condens. Matter, 33 (4), 45601 (2021)
Г.В. Тихоновский, Е.А. Попова-Кузнецова, Ю.А. Алещенко, С.М. Климентов, А.В. Кабашин, А.А. Попов, Влияние кислорода на коллоидную стабильность лазерно-синтезированных наночастиц нитрида титана, Краткие сообщения по физике ФИАН №7, 36-43 (2021).
N. N. Kovaleva, D. Chvostova, O. Pacherova, A. V. Muratov, L. Fekete, I. A. Sherstnev, K. I. Kugel, F. A. Pudonin and A. Dejneka “Bismuth layer properties in the ultrathin Bi–FeNi multilayer films probed by spectroscopic ellipsometry” Appl. Phys. Lett. 119 (18), 183101 (2021)
Elena S. Zhukova, Hongbin Zhang, Victor P. Martovitskiy, Yurii G. Selivanov, Boris P. Gorshunov and Martin Dressel. Infrared Optical Conductivity of Bulk Bi2Te2Se. Crystals 2020, 10, 553; doi:10.3390/cryst10070553
Dmytro L. Kamenskyi, Artem V. Pronin, Hadj M. Benia, Victor P. Martovitskii, Kirill S. Pervakov and Yurii G. Selivanov. Bulk Cyclotron Resonance in the Topological Insulator Bi2Te3. Crystals 2020, 10, 722; doi:10.3390/cryst10090722
V. A. Yakovlev , S. Schreyeck , A. V. Muratov, I. V. Kucherenko, V. S. Vinogradov, N. N. Novikov , G. Karczewski , Yu. A. Aleshchenko, S. Chusnutdinow. “Temperature Dependence of the Vibrational Mode of Pb1-xSnxTe Films Grown by MBE on the GaAs/CdTe Hybrid Substrate”, BULLETIN OF THE LEBEDEV PHYSICS INSTITUTE, vol. 47 iss. 1 pp 16-22 (2020) DOI: 10.3103/S106833562001008X
V.A. Yakovlev, A.V. Muratov, I.V. Kucherenko, V.S. Vinogradov , N.N. Novikova, G. Karczewski, S. Schreyeck “Structural phase transition and manifestation of eddy currents in IR reflection spectra of PbSnTe semiconductor films”, QUANTUM ELECTRONICS, vol. 50 iss. ‏ 3 pp. ‏(2020) 263-266 DOI: 10.1070/QEL17256
Anastasiya A. Fronya, Sergey V. Antonenko, Alexander Yu. Kharin, Andrei V. Muratov , Yury A. Aleschenko , Sergey I. Derzhavin , Nikita V. Karpov , Yaroslava I. Dombrovska , Alexander A. Garmash , Nikolay I. Kargin , Sergey M. Klimentov , Victor Yu. Timoshenko and Andrei V. Kabashin “Tailoring Photoluminescence from Si-Based Nanocrystals Prepared by Pulsed Laser Ablation in He-N-2 Gas Mixtures”, MOLECULES, vol. 25 iss. 3 p 440 (2020). DOI: 10.3390/molecules25030440
G.A. Ummarino, A.V. Muratov, L.S. Kadyrov, B.P. Gorshunov, S. Richter, A. Anna Thomas, R. H¨uhne and Yu.A. Aleshchenko, “THz electrodynamics of BaFe1.91Ni0.09As2 film analyzed in the framework of multiband Eliashberg theory”, SUPERCONDUCTOR SCIENCE & TECHNOLOGY, vol. 33, iss. 7, 075005 (2020) DOI: 10.1088/1361-6668/ab87ae
Aleshchenko, Yurii, Boris Gorshunov, Elena Zhukova, Andrey Muratov, Alexander Dudka, Rajendra Dulal, Serafim Teknowijoyo, Sara Chahid, Vahan Nikoghosyan, and Armen Gulian. “Possible superconductivity above 40 K in rhenium-doped strontium ruthenates indicated by Fourier-transform infrared spectroscopy.” Phys. Rev. Research 2, 042020(R) (2020) DOI:https://doi.org/10.1103/PhysRevResearch.2.042020
Aleshchenko, Y. A., Muratov, A. V., Ummarino, G. A., Richter, S., Thomas, A. A., Hühne, R. (2020). Optical and hidden transport properties of BaFe1. 91Ni0. 09As2 film. Journal of Physics: Condensed Matter, 33(4), 045601.(2021) DOI: https://doi.org/10.1088/1361-648X/abbc33
N. N. Kovaleva; F. V. Kusmartsev; A. B. Mekhiya; I. N. Trunkin; D. Chvostova; A. B. Davydov; L. N. Oveshnikov; O. Pacherova; I. A. Sherstnev; A. Kusmartseva; K. I. Kugel; A. Dejneka; F. A. Pudonin; Y. Luo; B. A. Aronzon, Control of Mooij correlations at the nanoscale in the disordered metallic Ta – nanoisland FeNi multilayers. Scientific reports 10, 21172 (2020). DOI:10.1038/S41598-020-78185-6
Kovaleva, N., Fekete, L., Chvostova, D., Muratov, A. Morphology and Optical Properties of Thin Cd3As2 Films of a Dirac Semimetal Compound. Metals, 10(10), 1398 (2020). DOI: 10.3390/MET10101398
Ia. A. Mogunov, S. Lysenko, F. Fernández, A. Rúa, A. V. Muratov, A. J. Kent, A. M. Kalashnikova, and A. V. Akim, Photoelasticity of VO2 nanolayers in insulating and metallic phases studied by picosecond ultrasonics, Phys. Rev. Materials 4, 125201 (2020) DOI:https://doi.org/10.1103/PhysRevMaterials.4.125201