Динамика вихревой топологической структуры в объеме отдельной наночастицы титаната бария во внешнем электрическом поле
Введение …………………………………………………………………………………………………………….4
ГЛАВА 1. Теоретические основы когерентной дифракционной визуализации и ее
применения на синхротронных источниках …………………………………………………………15
1.1. Скалярная теория дифракции ………………………………………………………………15
1.2. Когерентность …………………………………………………………………………………….19
1.3. Основы синхротронного излучения ……………………………………………………..21
1.4. Обоснование выбора метода брэгговской когерентной дифракционной
визуализации для исследования топологических дефектов ………………………………..27
ГЛАВА 2. Алгоритмы восстановления фазовой информации………………………..32
2.1. Фазовая проблема и условия дискретизации …………………………………………32
2.2. Алгоритмы градиентного спуска ………………………………………………………….35
2.3. Алгоритмы проекций на множества ограничений …………………………………37
2.4. Условия, накладываемые на решения фазовой проблемы при запусках
алгоритма восстановления фазовой информации ………………………………………………42
2.5. Оценка разрешения полученного изображения образца и ошибки
сходимости алгоритма к единственному решению ……………………………………………44
2.6. Влияние шума детектора на сходимость алгоритмов …………………………….49
2.7. Выводы по главе 2 ………………………………………………………………………………51
ГЛАВА 3. ОТРАБОТКА АЛГОРИТМА РЕКОНСТРУКЦИИ НА МЕТОДЕ
КОГЕРЕНТНОЙ ДИФРАКЦИОННОЙ ВИЗУАЛИЗАЦИИ С ЛАЗЕРНЫМ
ИЗЛУЧЕНИЕМ …………………………………………………………………………………………………53
3.1. Экспериментальная установка ……………………………………………………………..54
3.1.1. Источник излучения ……………………………………………………………………………55
3.1.2. Детектор …………………………………………………………………………………………….57
3.1.3. Пространственная фильтрация пучка с источника излучения…………………63
3.1.4. Система управления экспериментом …………………………………………………….64
3.2. Результаты измерений тестовых образцов без учета поляризации лазерного
излучения ………………………………………………………………………………………………………66
3.3. Результаты измерений нематического жидкого кристалла с учетом
поляризации лазерного излучения ……………………………………………………………………72
3.4. Выводы по главе 3 ………………………………………………………………………………84
ГЛАВА 4.ВИЗУАЛИЗАЦИЯ ВИХРЕВОЙ ТОПОЛОГИИ В НАНОЧАСТИЦЕ
ТИТАНАТА БАРИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СИНХРОТРОННОГО
ИЗЛУЧЕНИЯ……………………………………………………………………………..86
4.1. Подготовка и оценка образцов …………………………………………………………….87
4.2. Экспериментальная установка ……………………………………………………………..91
4.3. Восстановление фазовой информации ………………………………………………….97
4.4. Анализ и обсуждение полученных результатов ………………………………….. 104
4.5. Выводы по главе 4 ……………………………………………………………………………. 109
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ………………………………………………………………………………….. 111
Список использованных источников ………………………………………………………………… 114
Приложение 1. Основы поляриметрии ……………………………………………………………… 128
Полностью поляризованная монохроматическая волна …………………………………… 128
Частично-поляризованная частично-монохроматическая волна ………………………. 130
Представление поляризации на сфере Пуанкаре …………………………………………….. 132
Взаимодействие поляризованного света с оптически анизотропной средой ……… 134
Приложение 2. система управления экспериментом accord ………………………………… 137
Инициализация основных управляющих классов …………………………………………… 137
Имплементация управления шаговым мотором через микроконтроллер ………….. 144
Имплементация запуска экспозиции детектора через микроконтроллер …………… 147
Приложение 3. Модель фазового поля для исследуемой частицы титаната бария … 149
Приложение 4. Анализ сигнатуры структурных фаз в дифракционной картине …… 151
Актуальность темы
Активный междисциплинарный обмен идеями и наблюдениями является одним из
ключевых двигателей развития современного материаловедения. Поиск феноменов,
позволяющих реализацию совершенно новых подходов в создании интегральной
электроники и способов хранения энергии и информации, крайне затруднителен без
использования в прикладных исследованиях концепций, которые когда-то
рассматривались как абстрактные математические головоломки.
Одна из таких концепций пришла из раздела математики, занимающегося
исследованиями топологии. Аналогия между математическими структурами в
топологии и конденсированным состоянием вещества (КСВ) позволяет расширить
границы понимания фазовых состояний и динамики фазовых переходов в различных
материалах. Например, в КСВ вводится понятие топологического дефекта,
описывающего не локализованную неоднородность в кристаллической решетке, а
коллективное поведение элементов решетки, описываемое математической
структурой и имеющее дальний порядок действия. Такая форма дефекта представляет
интерес, как с точки зрения фундаментальных исследований, так и для практического
применения, в силу того, что ее влияние способно существенно изменять свойства
известных материалов.
Более трех десятилетий назад нобелевские лауреаты 2016 года Майкл Костерлиц,
Данкан Холдейн и Дэйвид Таулесс открыли совершенно новый тип фазовых
переходов в двумерных системах, в которых топологические дефекты играют важную
роль [1-4]. В последние годы их теория была применена для объяснения процессов в
системах со спонтанным нарушением симметрии от космологии до магнетизма,
сегнетоэлектричества, сверхпроводимости и сверхтекучести, в которых наблюдались
необычные топологические дефекты, такие как вихри, границы доменов, скирмионы
и ежи [4-6].
Большой интерес в контексте топологии вызывают сегнетоэлектрики. Это связано
с их потенциальным применением в создании энергонезависимой памяти и других
элементов электроники следующего поколения [7-11], а также в технологиях,
относящихся к накоплению и хранению энергии [12-14]. При этом еще более
интересны исследования нано-сегнетоэлектриков, в которых формируются
нанодомены сложной формы, связанные с поведением стенки доменов [15], и
проявления текстуры со сложной топологией [16], такой как поляризованные вихри
[17]. Такие вихревые топологические структуры формируются в результате
взаимодействий дальнего порядка под влиянием деформаций и распределений
электрических потенциалов на границе системы. Влияние формы и размера среды на
поведение вихрей активно изучается теоретически с использованием моделей
электронной структуры и фазового поля [16-21].
Актуальность изучения поведения вихревых структур в сегнетоэлектриках
заключается в том, что теоретические исследования показывают способность
наносегнетоэлектрических материалов увеличить плотность хранения в
энергонезависимой памяти в 10000 раз [7]. Но данные улучшения становятся
доступными лишь при возможности наблюдения и контролирования структурных
переходов, включая метастабильные состояния, позволяющие упростить
переключение доменов.
Помогаем с подготовкой сопроводительных документов
Хочешь уникальную работу?
Больше 3 000 экспертов уже готовы начать работу над твоим проектом!
5 (154 отзыва)
4.8 (1033 отзыва)
0 (13 отзывов)
4.9 (37 отзывов)
5 (145 отзывов)
4.8 (105 отзывов)
4.6 (71 отзыв)
4.8 (37 отзывов)
4.2 (25 отзывов)
