Научная
деятельность
Университет ИТМО

Сотрудники центра UniFEL Университета ИТМО выиграли заявку на проведение нового исследования на базе European XFEL

European XFEL — это исследовательская мегаустановка с самым мощным в мире рентгеновским лазером на свободных электронах, предназначенная для наблюдения за ходом химических реакций, расшифровки структуры биологических объектов и решения других актуальных задач. В 2018 году ученые Университета ИТМО в первый раз получили полный самостоятельный доступ к оборудованию и провели исследование нового класса материалов. А уже этой осенью они используют установку для работы со сверхбыстрым размагничиваем с последующим применением в высокоскоростных устройствах магнитной памяти. 

Об XFEL

European XFEL — это международный проект по созданию самого крупного в мире рентгеновского лазера на свободных электронах, предназначенного для решения огромного количества задач в области фундаментальной и прикладной науки, а также медицины и передовых технологий. Проект был разработан в исследовательском центре DESY. Строительство шло с 2009 по 2017 год и потребовало более одного миллиарда евро. В финансировании принимали участие несколько стран, в том числе и Россия, взявшая на себя 27% затрат. Официальное открытие европейского рентгеновского лазера на свободных электронах состоялось 1 сентября 2017 года в Гамбурге.    

Работа российских ученых на установке проходит под эгидой национальной научно-образовательной ассоциации «Исследовательские установки мега-класса», которая координируется Национальным исследовательским центром «Курчатовский институт». Университет ИТМО выступает участником ассоциации, главная задача которой — готовить проекты для реализации на XFEL и других мегаустановках.

В Университете ИТМО еще в 2015 году было организовано новое подразделение — Транснациональный научно-образовательный UniFEL-центр перспективных методов исследования материалов. Для этого Университет ИТМО и Технический университет Фрайберга (TU Bergakademie Freiberg) заключили соглашение о сотрудничестве: российские и немецкие ученые будут совместно готовить объекты для дальнейших экспериментов на XFEL, а также разрабатывать совместные образовательные магистерские и аспирантские программы.

European XFEL. Источник: media.xfel.eu
European XFEL. Источник: media.xfel.eu

В октябре 2018 года на установке XFEL работала группа сотрудников Университета ИТМО. Они занимались изучением наносквитеров — это наноматериалы с высоким пространственным, энергетическим и временным разрешением электронной структуры и атомного строения. После 10 дней работы с лазером ученые получили большой массив информации, который позволит по-новому взглянуть на структуру нанокристаллов. Подробнее о ходе экспериментов в 2018 году можно прочитать здесь.

Новое исследование

В мае 2019 года ученые Университета ИТМО выиграли заявку на проведение исследований в новом направлении — изучении сверхбыстрого размагничивания и полностью оптического переключения намагниченности в материалах, содержащих тонкие пленки кобальта. Кобальт отличается от других материалов тем, что у него есть домены — магнитные пленки, способные менять свое магнитное состояние движением стенок. Это давно известное явление, однако ученые до сих пор не знают, как именно в процессе магнитного излучения движутся стенки доменов. Именно для изучения этого фундаментального вопроса исследователи будут использовать XFEL. 

Заявка на проведение именно этого исследования опередила предложения от многих других ученых со всего мира.  

«Конкурс очень большой, и выигрыш именно нашей заявки — это большая удача. На данный момент это вторая заявка от российского университета, когда-то либо получившая одобрение от научного совета XFEL. Его члены рассматривают заявки по двум критериям: новизне и возможности реализации. Дело в том, что сотрудники станции заинтересованы получать результаты мирового уровня, чтобы показывать научную емкость установки. Она достаточно дорогая, и существуют множество комиссий, которым нужно доказывать важность и успешность проводимых экспериментов. Для всех очень важно работать на достижение новых результатов с большим научным значением», — рассказывает профессор факультета лазерной фотоники и оптоэлектроники Университета ИТМО Павел Брунков.

Оптическая лазерная система для экспериментов методом pump-probe. Источник: media.xfel.eu
Оптическая лазерная система для экспериментов методом pump-probe. Источник: media.xfel.eu

Эксперименты ученых Университета ИТМО будут проходить в несколько этапов с применением подхода pump-probe. Сначала ученые сформируют домены с помощью магнитного поля, а потом пошлют на материал pump — оптический импульс установки, который начнет переключение домена. Затем начнется этап под названием probe — серия коротких импульсов, которые помогут получить точное изображение и видео о происходящем внутри материала. Также в процессе работы ученые надеются научиться переключать домены, тем самым меняя локальное магнитное поле.

Полученная информация будет носить фундаментальную ценность для науки, дав новую информацию о свойствах кобальта, а также будет полезна в разработках устройств хранения информации. Благодаря полученным результатам исследователи смогут разработать быстродействующую память на магнитных доменах. Она будет отличаться от современных аналогов повышенными плотностью и быстродействием. То есть цифровые устройства, такие как, например, микропроцессоры, станут быстрее и лучше работать.

Однако практические примение — это далекая цель. На данный момент перед исследователями Университета ИТМО стоит задача изучения стенок доменов и их структуры. Исследования пройдут в Гамбурге в конце сентября 2019 года совместно с учеными из Германии.