Сбор новостей

РНФ объявляет о начале общественного обсуждения концепции инфраструктурного мероприятия Президентской программы исследовательских проектов

6[2] дней 3 часа ago
 

Российский научный фонд предлагает ознакомиться с подходами к формированию четвертого – инфраструктурного – конкурса Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими, в том числе молодыми учеными.

Предложения и замечания к документу в свободной форме просим направлять на электронный адрес: programma@rscf.ru в срок до 10.00 (мск) 19 февраля 2018 года.

Подходы к формированию инфраструктурного конкурса Президентской программы исследовательских проектов Дата публикации: 12 февраля 2018 метки:  Новости Фонда
shuliak@rscf.ru

Что глава Агентства Михаил Котюков думает о будущем научной политики в России. Онлайн-интервью Михаила Котюкова

6[2] дней 13[2] часов ago

-

Онлайн-интервью Михаила Котюкова

Кому в академических институтах ждать повышения зарплат, что в Федеральном агентстве научных организаций думают о сокращении ставок в институтах, изменит ли ФАНО госзадания для подведомственных организаций и что глава Агентства Михаил Котюков думает о будущем научной политики в России. На эти и другие вопросы он отвечает в онлайн-интервью Indicator.Ru.

Дело - в принципах. Совет по науке стоит на своем

6[2] дней 13[2] часов ago

Свое двадцатое заседание Совет по науке при Министерстве образования и науки РФ посвятил крайне актуальным проблемам - от оценки проекта Закона “О научной, научно-технической и инновационной деятельности в РФ” до принципов формирования государственного задания и распределения дополнительного финансирования в академических институтах. По последнему вопросу выпущено развернутое заявление, содержащее целый пакет вполне конкретных предложений.

Российская наука на краю ямы: куда ее заведут чиновничьи указы

6[2] дней 13[2] часов ago

При чем здесь ФАНО

Российская наука сейчас на краю ямы.

И дело не в том, что много талантливых ученых покинули страну — все-таки много таких же осталось здесь. И не в том, что средств для экспериментальных и полевых исследований не хватает — все же есть какие-то научные фонды в стране, и возможно сотрудничество с технически оснащенными зарубежными коллегами.

Академик Владимир Фортов и его высокая траектория в науке и в жизни

6[2] дней 13[2] часов ago

Демидовские лауреаты 2017. Академик Владимир Фортов и его высокая траектория в науке и в жизни

В последнее время имя академика Владимира Фортова было на слуху в основном как президента Российской академии наук, которую он возглавлял с 2013 по 2017 год, в самый непростой и драматичный период её реорганизации. Но прежде всего Фортов — учёный мирового класса, крупнейший специалист в области физики плазмы и мощной импульсной энергетики.

К 2020 году скутеры будут загрязнять воздух больше, чем остальной наземный транспорт

1 неделя 1 день ago
 Ученые провели аналитическое исследование морфологии и химического состава твердых частиц в выхлопных газах мотоциклов. Исследование международного коллектива ученых с участием сотрудников Дальневосточного федерального университета финансировалось грантом Российского научного фонда. Статья с результатами опубликована в журнале Toxicology Reports.

Даже оснащенные системой дожигания вредных газов современные двигатели мотоциклов становятся источником выброса большого количества твердых частиц с высоким содержанием полиароматических углеводородов (ПАУ) размером менее десяти микрометров. Твердые частицы такого размера, в зависимости от химического состава, считаются самыми вредными для здоровья человека и окружающей среды, что подтверждается исследованиями. Мотоциклы и скутеры, несмотря на малый объем их двигателей, обгоняют по выбросу в атмосферу подобных вредных частиц даже дизельные автомобили.

ПАУ – опасные химические вещества, серьезные загрязнители атмосферы, токсичные для человека. Многие их соединения классифицируются как канцерогенные, приводящие к мутациям или чреватые пороками развития для различных микроорганизмов. ПАУ могут находиться в атмосфере в виде аэрозольных взвесей неопределенно долго потому что они нерастворимы в воде и микроорганизмам трудно их перерабатывать.

Исследование проводилось для транспортных средств, эксплуатируемых на территории Приморского края. Изучению подверглись 44 единицы мотоциклов, скутеров, квадроциклов, а также водных мотоциклов, оснащенных разными типами двигательных и топливных систем. В результате выяснилось, что четырехтактные инжекторные двигатели мотоциклов более безопасны в экологическом плане, чем двухтактные и карбюраторные. Также учеными ДВФУ высказано предположение, что к 2020 году двухтактные двигатели скутеров станут в Европе более серьезным источником загрязнения, чем все остальные наземные транспортные средства вместе взятые.

Основываясь на полученных данных, авторы делают вывод о существенно недооцененной опасности двигателей мотоциклов для окружающей среды. Учитывая мировой рост производства и продаж мотоциклов, особенно в Азии и Африке, остаточные продукты, не распавшиеся в результате процесса внутреннего сгорания в двигателях мотоцикла, становятся серьезным фактором, влияющим на экологию. В статье также отмечается, что частицы размером от 0,5 до 2,5 микрометров играют решающую роль в распределении солнечного света. Абсорбируя солнечные лучи, они становятся причиной различных микроклиматических эффектов.

«Необходимо проводить дальнейшие исследования токсических эффектов ПАУ, которые содержатся в выхлопных газах мотоциклов и оказывают негативное воздействие на здоровье человека и благополучие окружающей среды, – заявил Кирилл Голохваст. – Результаты будущих исследований могли бы помочь не только пониманию существующих рисков для человека и природы, но и разработке новых стандартов эффективного контроля выброса в атмосферу подобного рода частиц».

Дата публикации: 09 февраля 2018 метки:  СМИ о Фонде и грантополучателях
shuliak@rscf.ru

MSU biologists: Bryozoans, brachiopods, and phoronida originate from the common ancestor

1 неделя 1 день ago
 An associate of the Faculty of Biology of Lomonosov Moscow State University studied the nervous system of adult phoronida using modern methods and presented new facts in the long-lasting discussion about the taxonomy of invertebrates proving that phoronids, barchiopods, and bryozoans are relatives despite earlier arguments. The results of the work were published in Scientific Reports. The study was carried out within the framework of the "Noah's Ark" project supported with a grant of Russian Science Foundation (RSF).

Phoronida is a poorly studied phylum of invertebrates. Although it only contains about a dozen of species, these animals are widely spread and can be found in all areas of the World Ocean except for the Antarctic region. Phoronids live everywhere from littoral (the area near the shore) to 400-600 meter depth. The size of tne body varies from six millimeters to 50 centimeters. The soft boby is covered by the chitinous tube, which is embedded into soft or hard substrata. The anterior end of the body bear the lophophore - a tentacular structure, which is exposed into water and used for many functions such as collection of food particles, brooding, sensory, etc.

All animals with the lophophore (Phoronida, Brachiopoda, and Bryozoa) were traditionally gathered into one large group called Lophophorata. However, animals of these three phyla look completely different: bryozoans are similar to cnidarian polyps and sometimes form moss-like carpets (that is why they are also called moss animals); Phoronida resemble annelid worms, and brachiopods have shells that make them look like clams. Even the organs that unite them, the lophophores, are organized differently from each other: some have just a crown of tentacles, in others tentacles are located spirally or form a helicoidal coils. But all these animals have sessile type of life, are attached to substrate, and feed in similar manner.

For many years, scientists have been arguing whether these types are related. In the past 20 years genetics and molecular biology were included into the range of zoological methods. The genomes of bryozoans were slightly different from those of Phoronida and brachiopds, and biologists started to believe that the former type was unlikely to be closely related to the latter two. Still, they did not know how to regard bryozoans. Some considered them as sister group of all bilaterians (the animals in which the right and the left halves of the body are similar), and some included them into united group with other small colonial animals.

Elena Temereva used modern methods of immunocytochemistry and studied the innervation of the lophophore and tentacles in adult phoronid Phoronis ovalis. Comparative analysis of the organization of the lophophore nervous system in species of oall three phyla of Lophophorates has revealed the presence of homological nerve elements in the lophophore and allowed to conclude the homology of the lophophore.

"Based on these data we've supposed an idea that Phoronida and moss animals had originated from the common protophoronid ancestor. This conclusion based on morphological data contradicts the results of molecular and genetic studies conducted by other scientists," said Elena Temereva, doctor of biology, professor of Russian Academy of Sciences, and leading research associate of the department of invertebrate zoology at the Faculty of Biology, MSU.

The scientist studied the lophophoral nervous system using transmission electron microscopy, and immunocytochemistry and laser confocal microscopy.

"This work establishes the phylogeny of bryozoans. It is a conceptually important achievement for the understanding of the whole animal kingdom system and reconstruction of early evolutionary pathways of Bilateria," concluded Elena Temereva.

Дата публикации: 09 февраля 2018 метки:  RSF news
shuliak@rscf.ru

MSU-based scientists discovered a molecular timer based on stalling ribosomes

1 неделя 1 день ago
 A molecular biologist from Lomonosov Moscow State University together with foreign colleagues discovered a special mechanism of protein synthesis regulation that they called a "molecular timer". It controls the number of protein molecules produced by a cell and prevents the generation of extra molecules. When activated with drugs, such a timer may help efficiently combat cancerous tumors. The study was supported with a grant of the Russian Science Foundation (RSF), and its results were published in Nature journal.

Genetic information coded in DNA is copied into the molecules of messenger RNA (mRNA), and after that proteins are synthesized on it. Each amino acid of a protein corresponds to three nucleotides (one triplet) in mRNK. An organelle responsible for protein synthesis is called a ribosome. It is a molecular machine that consists of a bigger and a smaller subparticles (each comprised of ribosome RNA and numerous proteins). A signal to end protein synthesis is given by three stop codons. In the majority of living bodies these are UGA, UAA, and UAG (U -- uracil, A -- adenine, G -- guanine). A molecule of mRNA is always longer than the reading frame -- an element that contains genetic information about a protein. The elements that do not code any protein-related information are called untranslated (or non-coding) regions. In mammals they are often much bigger than reading frames and contain up to thousands of nucleotides. Given that mRNA synthesis is an energy-consuming process, scientists have been wondering about the purpose of these huge untranslated regions.

Today we know that non-coding regions regulate the life cycle of mRNA. Unlike DNA, mRNA molecules are destroyed in the cell after some time. Some of them live quite long after synthesis, and others break down in a couple of minutes. Untranslated regions of mRNA often play a big role in this process.

Another important function of such regions is the regulation of protein synthesis. There are many examples of non-coding mRNA regions being bound with regulatory proteins (or short RNA) that either suppress or stimulate protein synthesis, thus allowing the cell to turn protein synthesis on a certain mRNA molecule on or off. It is an important function, as depending on the environmental conditions a cell needs a certain set of proteins. Any abnormalities in synthesis regulation may cause uncontrollable protein generation. For example, deregulation of proteins in charge of cell division may lead to endless growth of new cells, which is characteristic for cancer.

Having studied the regulation of mRNA translation of Amd1 enzyme, a key element in the biological synthesis of polyamines (polymers containing amine groups), a team of scientists from University College Cork, Harvard Medical School, Lomonosov Moscow State University, and the Department of Human Genetics at the University of Utah found out a new mechanism of protein synthesis regulation.

"We've known for a long time that it is hard for ribosomes to synthesize the sequences of certain triplets," explains Dmitry Andreev, a senior research associate of Belozersky Science and Research Institute of Physical and Chemical Biology, MSU. "Therefore, when encountering such a sequence, a ribosome may get stalled on an mRNA molecule. This causes all following ribosomes to stop as well, as they cannot jump over their stalled buddy, and protein synthesis is suspended. In the course of our studies of Amd1 regulation we discovered a stalling signal. We were interested, why it was located after the stop codon of Amd1 reading frame. What was it doing there?

The fact is that the translation mechanism should prevent any errors in protein synthesis as wrong proteins may cause harm to the cell. However, its precision is limited. A ribosome that reaches a stop codon may read it as an aminoacid by mistake and move further, synthesizing a longer protein. The probability of this happening is quite low: according to the scientists, it amounts to a fraction of a per cent. Still, the reading of the stop codon was a key to understanding the new Amd1 mechanism regulation.

The mechanism was discovered using ribosome profiling - a method based on mass identification of the nucleotide (genetic) sequence of mRNA fragments that react with ribosomes. The methodology allows for studying protein synthesis in a cell on the full genome level. Later on the mechanisms was studied with the use of traditional reporter constructions - clusters made of a gene in question and a reporter gene that shows the level of gene expression in a cell. The reporter genes in this case were luciferase (an enzyme that triggers a reaction causing light emission) and green fluorescent protein (GFP).

The team found out that approximately one in 60 ribosomes moves through the stop codon of Amd1, but after some time it stalls on the "wrong" sequence. This is not bad as is, but the next ribosome that moves through the stop codon stalls behind it. The ribosomes queue until the line reaches the stop codon. As soon as it happens, the production of protein stops.

"We called this regulation mechanism a molecular timer," says Andreev. "Such an mRNA molecule has a built-in mechanism that regulates the number of synthesized protein molecules very precisely. Even if ribosomes frequent this mRNA, the reading of the stop codon and further stalling (the molecular timer) will switch protein synthesis off after a number of cycles".

It should be mentioned that Amd1 has oncogenous properties. It has already been demonstrated that its excessive production in a cell may lead to the growth of very aggressive and metastasizing tumors. If we learn to turn on the timer that regulates its synthesis (for example, potentiate the reading of the stop codon) with drugs, this may become a new therapeutic approach. Some medicinal drugs based on the activating of stop codon reading are already being developed, and one of them has been approved in Europe for treating Duchenne's dystrophy.

Дата публикации: 09 февраля 2018 метки:  RSF news
shuliak@rscf.ru

Oxidation Behavior of Crude Oil and SARA Fractions

1 неделя 1 день ago
 

Rheological and Thermochemical Research Lab is currently engaged in air injection experiments. One of the types of experiments tackles mechanisms of oxidation reactions of aliphatic and aromatic hydrocarbons. During the last several months, the Lab has managed to conduct tests of oxidation of SARA fractions (saturates, aromatics, resins, and asphaltenes). Differential scanning calorimetry, adiabatic calorimetry, and thermogravimetric analysis coupled with Fourier transform infrared spectroscopy have been among the used methods. SAU EcoOil's research is funded by the Russian Science Foundation.

Project leader, Leading Research Associate Yuan Chengdong comments, “The comparison has shown that the oxidation behavior of crude oil and its SARA fractions is very different. We deeply analyzed the difference in oxidation behavior and tried to establish some connections between them.  For example, saturated hydrocarbons oxidize well under low temperatures. And asphaltenes, conversely, emit more heat under higher temperatures. It tells us that the oxidation behavior is directly linked to the ratio of SARA fractions in oil. Knowing this ratio, we can choose optimal ways of oil extraction.”

The results were partly covered in Oxidation Behavior of Light Crude Oil and Its SARA Fractions Characterized by TG and DSC Techniques: Differences and Connections. The next part of the research is to test light, medium and heavy oils through thermogravimetry. Here, apart from oxidation behavior, main stages and products of in-situ combustion reactions have been studied. As it appeared, light and heavy oils greatly differ during early stages of oxidation, but their kinetics become much closer during high-temperature oxidation. The findings have been submitted for publication.

“During the research, we also have a lot of problems, because it is not an easy job. You know that the composition of crude oil is very complex, and the reaction it more complicated. But we are trying to solve all the problems. We are scientists. We are born to solve problems. I hope our research will make some contributions to the successful application of air injection techniques (including high pressure air injection and in-situ combustion) in different types of reservoirs,” continues Yuan.

Another promising direction is study of oxidation of pure hydrocarbons. First takeaways are expected later this year.

Дата публикации: 09 февраля 2018 метки:  RSF news
shuliak@rscf.ru

Do Companies Need Corporate Universities?

1 неделя 1 день ago
 Researchers at the HSE International Laboratory of Intangible-driven Economy (IDlab) have examined the role of corporate universities in developing human capital and improving performance. Their findings were published in the Journal of Intellectual Capital.

The hypothesis that a corporate university can create competitive advantages for a company was tested on data provided by Russian and European public companies. The sample included some 2,500 companies located in Russia, France, Germany, Italy, Spain and the United Kingdom. The Russian market was chosen as an example of a developing economy, while the European market represented a developed economy.  Research indicated that a mere 2.4% of Russian companies have corporate universities, compared to 28% of European companies. It is worth noting that both in Russia and in Europe, most corporate universities are located in capital cities, with the exception of Germany.

The study's key findings are as follows: a company’s capitalisation correlates negatively with the probability that the company will found a corporate university. This is true in the case of both Russia and Europe and may be due to negative investor expectations of returns on such assets, given the high associated risks. Consequently, businesses seeking to attract investors may be less likely to invest in a corporate university.

‘Corporate universities create risks for companies. It appears that successful companies tend to consider less risky ways of investing in employee human capital’, explains Petr Parshakov, co-author of the study and research fellow at the International Laboratory of Intangible-driven Economy at the HSE campus in Perm.

Another interesting finding concerns proximity to leading classical universities in Russia and in Europe. In Europe, geographical proximity to a conventional university increases the likelihood that a company will found its own corporate university. The opposite is true in Russia, where the likelihood of a corporate university drops by 2% if a conventional university is located nearby.

In addition, the study reveals a common trend: a short-term positive effect of investing in a corporate university is not always sustainable in the long-run. Other variables being equal, the capitalisation of a company with a corporate university is, on average, 271 million euros less than the capitalisation of a company without one. However, at the same time, positive synergy has been observed between corporate and conventional universities in developed economies over an extended period of time.

The findings of the study are useful to companies considering founding a corporate university as part of a human capital development strategy: risks can be mitigated significantly by conducting thorough prior analysis, planning, and assessment of such investments. Russian companies are advised to focus on smaller-scale investments and work on improving the performance of already-existing corporate universities. The authors of the study plan to continue this research by examining investments in corporate universities using non-financial performance indicators, such as their impact on company image and employee retention.

This publication is based on findings from Project No. 15-18-20039, 'Competitiveness of Russian Companies in the Context of Import Substitution: the Role of Intellectual Resources', supported by the Russian Science Foundation.

Дата публикации: 09 февраля 2018 метки:  RSF news
shuliak@rscf.ru

​Scientists develop a ‘third eye’ to examine stem cells

1 неделя 1 день ago
 A joint team of scientists from Russia and the United States designed a method for marking dividing stem cells with three different labels. Until now, it was only possible to use two labels simultaneously. The new method will increase the accuracy and speed of stem cell division analysis and reveal new populations of stem cells. In the paper published as the cover story in Stem Cell Reports, the researchers demonstrated that triple labeling can be used to study the division of stem cells in the brain and other tissues. The research team, led by Grigori Enikolopov, was made up of specialists from the Moscow Institute of Physics and Technology (MIPT), Stony Brook University (USA), Cold Spring Harbor Laboratory (USA), and Koltzov Institute of Developmental Biology of the Russian Academy of Sciences. Part of the research was conducted at the National Research Center Kurchatov Institute. Reincarnation of cells

A variety of tissues and organs, including the brain, harbor stem cells responsible for tissue renewal. Contrary to the popular belief that neurons do not regenerate, the adult brain has regions where so-called neurogenesis — the formation of new neurons — occurs. Neurogenesis is thought to be vital for learning and memory. It also plays a major role in responding to stress and repairing damaged nerve tissue. Usually, tissue regeneration proceeds in the following manner: After stem cells duplicate themselves, some of their offspring are used to restock the supply of stem cells, and some convert into other types of cells in order to repair the loss or damage. The process is not the same in all tissues. What the scientists aim to discover are the mechanisms common to all types of stem cells and the ways they can be influenced or improved.

As a stem cell duplicates itself, it goes through a stage called the S phase (see fig. 1) when DNA synthesis occurs and the chromosomes are duplicated. At that stage of the cell cycle, it is possible to label the new strands of DNA by supplying the cells with a tagged building block (a nucleotide), which becomes part of the new DNA. Moreover, when such cells have divided and reproduced, their daughter cells will also be labeled. Scientists can then examine the tissue using fluorescent antibodies to see the cells with or without the labeled DNA and follow the fate of these two populations. Combinatorially, if nucleotides with two different tags are used, the number of differently labeled cell populations raises to eight. Using nucleotides with three different tags increases that number to 128.

Fig. 1. Cell cycle. The G1 phase is preparatory to cell division. During this phase, the cell’s components, except its DNA, are duplicated. In the S phase, the DNA is “copied” — molecular machinery replicates daughter DNA using the original strand as a template. G2 is the final stage before division, or mitosis (M), begins. When in G1, the cell may exit the cycle and enter a resting state called the G0 phase, meaning that the division has stopped. Image courtesy of the MIPT Press Office. Sourse: MIPT Press Office.

Even though such nucleotides with three or more different tags are available, scientists have had a difficult time distinguishing between them and their combinations in cells that have undergone duplication. This mainly happens because the antibodies are not perfect and can bind not only with their intended targets but also with similar ones.

If that happens and both tags are labeled with the same antibody, it becomes impossible to differentiate one from another. Scientists decided to add another tag, which can be recognized not by applying antibodies but by using the so-called click chemistry — that is, adding a fluorescent coloring agent to a chemical reaction. The main difficulty was that in triple labeling the chemical colorant left certain spots uncolored and those spots were reacting with antibodies, creating a false signal. As a result, it was not possible to distinguish between the three labels. Nevertheless, the researchers came up with a way of sealing those areas by adding a colorless substance related to the original agent and making them inaccessible to the antibodies.

In this paper, the scientists succeeded in unambiguously and quantitatively separating the labels’ signals and revealing the normally overlooked groups of stem cells with unusual features. The researchers employed the triple labeling technique to analyze stem cells in the brain, the intestine, and testis, using additional tricks to effectively expand the technique to quadruple labeling of dividing stem cells. The analysis of the intestine cells (see fig. 2) is particularly illustrative: Providing different labels 24 hours apart revealed that cohorts of stem cells born at that time and their progeny spread out along the villi — fingerlike projections in the intestine.

Fig. 2. The intestine. The first label is shown in blue, green spots indicate the label introduced 24 hours later, and the red marks the label incorporated 24 hours after the second one. The white represents the cells in any phase except for G0 (i.e., all dividing cells). Image courtesy of the researchers. Sourse: MIPT Press Office.

In addition, triple labeling helped identify new key parameters of neurogenesis with great precision (see the animation). As a result, the authors of the paper were able to design a tool for studying stem cells in any given tissue that reveals new features of stem cells and surpasses the previously available techniques in accuracy. It also speeds up and simplifies the research procedure.

Oleg Podgorny, a senior research scientist at MIPT’s Laboratory of Brain Stem Cells and one of the authors of the paper, comments on the study: “We have been extensively using triple labeling in neurogenesis analysis in mice under a variety of conditions, such as behavioral tests, special dietary regimen, and exposure to radiation and drugs used for medical treatments, including those for anti-neoplastic therapy. Also, we have been applying the method to check how the drugs for nervous system diseases, especially Alzheimer’s, influence neurogenesis. Patients with Alzheimer’s disease experience problems with memory and cognitive skills, and so far we have collected a significant body of data proving that neurogenesis is crucial to these brain functions.”

The study, which appears in the February issue of Stem Cell Reports, was supported by grants of the Russian Ministry of Education and Science, the Russian Science Foundation, the National Institute of Mental Health (USA), the National Institute on Aging (USA), and New York State Stem Cell Science.

The animation illustrates the calculation of the proportion of the cells that return to the cycle. The cells are initially marked with the first label, four hours later — with the second, 19 hours after the second marking — with the third label, and then taken for analysis an hour after that. The cells marked both with the first and the second labels returned to the cycle, while those marked only with the first exited the cycle. The animation was created by the MIPT press office.

Дата публикации: 09 февраля 2018 метки:  RSF news
shuliak@rscf.ru

Новый спиновой диод для всепогодного машинного зрения

1 неделя 1 день ago
 Физики из МФТИ предложили схему спинового диода, «зажатого» между слоями различных антиферромагнетиков. Оказалось, что сопротивлением и резонансной частотой такого прибора можно управлять, «поворачивая» антиферромагнетики. Этот подход позволяет в несколько раз увеличить диапазон частот, на которых устройство выпрямляет переменный ток, а чувствительность прибора оказывается сравнима с чувствительностью полупроводниковых диодов. Статья опубликована в Physical Review B.

Константин Звездин, старший научный сотрудник лаборатории физики магнитных гетероструктур и спинтроники для энергосберегающих информационных технологий МФТИ, руководитель проекта «Спинтроника» Российского квантового центра, комментирует: «Обычные спиновые диоды со свободными ферромагнитными слоями могут работать на фиксированных частотах, не превышающих двух-четырёх гигагерц. В данной работе мы предложили схему спинового диода, в котором ферромагнитные слои связаны со слоями антиферромагнетиков, что позволяет увеличить частотный диапазон устройства примерно до 10 гигагерц, причём без значительной потери чувствительности. Это существенно расширяет область возможного использования спиновых диодов, открывая для них такие приложения, как, например, всепогодное машинное зрение, основанное на микроволновой голографии».

Спиновой диод

Все современные электронные устройства — диоды, транзисторы, операционные усилители и так далее — работают с электрическим током. Другими словами, все они тем или иным образом управляют потоками заряженных частиц (электронов и дырок). Например, в полупроводниковом диоде соединение областей с повышенной концентрацией электронов и дырок (p-n-переход) приводит к тому, что прибор может пропускать электрический ток только в одну сторону. Используя эту особенность диодов, можно собрать выпрямитель — устройство, которое превращает переменный ток в постоянный.

В то же время, помимо заряда, электроны обладают ещё одним важным свойством: у них есть спин. Спин — это чисто квантовая величина, аналогичная моменту импульса, которым обладают вращающиеся тела из классической механики. В обычном электрическом токе спины электронов направлены хаотично, однако их можно выстроить в одном направлении и получить спиновый ток. Наука, которая занимается изучением спиновых токов, называется спинтроникой. В настоящее время учёные уже научились изготавливать спинтронные наногенераторы, детекторы микроволнового излучения и магнитного поля, которые превосходят свои электронные аналоги.

Аналогом полупроводникового диода в спинтронике является спиновый диод — прибор, который умеет выпрямлять проходящий через него ток. Спиновый диод представляет собой два тонких слоя ферромагнетиков, разделённых слоем диэлектрика, в основе его работы лежат эффекты туннельного магнетосопротивления и вращения в результате переноса спина (spin-transfer torque effect). Если кратко, эти эффекты заключаются в следующем. При пропускании обычного тока через первый слой ферромагнетика спины электронов выстраиваются вдоль намагниченности ферромагнетика, то есть ток становится спиновым. Затем электроны туннелируют через диэлектрик и сталкиваются со вторым ферромагнитным слоем. В зависимости от угла между намагниченностью слоя и спинами электронов, частицы лучше или хуже проходят через него — следовательно, сопротивление прибора зависит от ориентации магнитных слоёв (первый эффект). Одновременно с этим электроны стараются повернуть второй слой, чтобы проходить через него было проще (второй эффект). Поэтому если пропускать через диод переменный ток, намагниченность его слоёв — а следовательно, и сопротивление — будет колебаться одновременно с величиной тока, и в результате ток выпрямляется.

Благодаря этим эффектам можно изготавливать спиновые диоды с чувствительностью более ста тысяч вольт на ватт, хотя максимальная чувствительность обычных полупроводниковых диодов Шоттки не превышает 3 800 вольт на ватт. Чувствительность — это отношение напряжения выходящего постоянного тока к мощности прикладываемого переменного тока; грубо говоря, она описывает, насколько хорошо устройство выпрямляет ток. Тем не менее, есть у спиновых диодов и недостатки. Например, их чувствительность сильно зависит от частоты переменного тока, резко возрастая около резонансного значения и оставаясь близкой к нулю вдали от него. Кроме того, резонансные частоты всех изготовленных ранее спиновых диодов не превышают двух гигагерц. В то же время для некоторых приложений — например, для микроволновой голографии — нужны диоды, работающие на бóльших частотах.

А если «зажать» антиферромагнетиком?

В данной работе учёные из МФТИ описывают способ, с помощью которого можно задавать резонансную частоту спинового диода при изготовлении, а также повысить рабочую частоту. Для этого физики предлагают «зажать» диод между двумя антиферромагнитными слоями. Благодаря обменному закреплению (exchange pinning) слои ферромагнетиков и антиферромагнетиков оказываются связаны, что позволяет управлять углом между намагниченностями ферромагнетиков — а значит, сопротивлением и резонансной частотой прибора. Чтобы проверить работоспособность предложенной схемы, учёные численно смоделировали спиновый диод со слоями толщиной порядка нескольких нанометров, а затем исследовали его свойства.

Кратко поясним, что такое ферромагнетик и антиферромагнетик. В каждом из этих материалов спины атомов обладают дальним порядком — другими словами, на достаточно больших расстояниях структура материала повторяется. В ферромагнетиках спины всех атомов выстроены параллельно заданной оси, а в антиферромагнетиках — антипараллельно. Конечно, в жизни всё немного сложнее, и в действительности при ненулевой температуре на эти картинки накладываются тепловые колебания, поворачивающие спины в случайных направлениях. При превышении определённой температуры дальний порядок полностью разрушается, и вещество становится парамагнетиком, в котором спины всех атомов направлены произвольно. Для ферромагнетиков такая температура называется точкой Кюри, для антиферромагнетиков — точкой Нееля. Кроме того, обычно спины выстраиваются вдоль заданной оси не во всём объёме вещества, а в макроскопических областях, называемых доменами.

Изучили, что получили

Для начала учёные изучили, как угол между намагниченностями ферромагнитных слоёв θ зависит от угла между осями антиферромагнетиков φ (AFM pinning angle), который можно контролировать на этапе изготовления диода, поворачивая антиферромагнетики. Вообще говоря, эти углы не совпадают, хотя и связаны друг с другом (рис. 2). Оказалось, что угол между намагниченностями можно изменять только в диапазоне от 110 до 170 градусов, причём в промежутке от 110 до 140 градусов зависимость является нелинейной. Тем не менее, этого диапазона оказывается достаточно, чтобы контролировать свойства диода.

Затем исследователи выяснили, как зависит чувствительность диода от частоты переменного тока при фиксированном угле между намагниченностями слоёв. Оказалось, что около резонансной частоты чувствительность резко возрастает, при этом достигая значений порядка тысячи вольт на ватт. Это значение меньше максимальной чувствительности изготовленных ранее спиновых диодов, однако всё ещё достаточно велико, чтобы сравниться с обычными полупроводниковыми диодами.

Гораздо более важным является то, что резонансную частоту нового диода можно изменять от 8,5 до 9,5 гигагерц, контролируя угол φ во время изготовления прибора. Впрочем, стоит отметить, что пока учёные рассмотрели предложенную схему только теоретически. Следующим шагом будет изготовление экспериментального образца и непосредственная проверка предсказанных свойств.

Ранее учёные из МФТИ научились закручивать магнитные вихри в спинтронных устройствах, образованных ферромагнетиком и топологическим изолятором. Топологический изолятор — это материал, который проводит электрический ток только по поверхности, а внутри является обычным изолятором.

Работа поддержана Российским научным фондом.

Дата публикации: 09 февраля 2018 метки:  СМИ о Фонде и грантополучателях
shuliak@rscf.ru