RU2693875C1

RU2693875C1 - Chemical compound based on oxyorthosilicate containing yttrium and scandium, for quantum electronics

Info

Publication number: RU2693875C1
Application number: RU2018112298A
Authority: RU
Inventors: Сергей Александрович Кутовой; Алексей Алексеевич Калачёв; Юрий Дмитриевич Заварцев; Александр Иосифович Загуменный; Валерий Вениаминович Воронов; Виктор Иванович Власов; Рушана Михайловна Ерёмина; Валерий Фёдорович Тарасов
Original assignee: Сергей Александрович Кутовой; Алексей Алексеевич Калачёв; Юрий Дмитриевич Заварцев; Александр Иосифович Загуменный; Рушана Михайловна Ерёмина; Валерий Фёдорович Тарасов
Priority date: 2018-04-05
Filing date: 2018-04-05
Publication date: 2019-07-08

Abstract

FIELD: nuclear physics and equipment.

SUBSTANCE: invention relates to solid-state physics, in particular to quantum electronics and can be used as a matrix for creating media for storing and reading information in quantum computers; invention also relates to nuclear physics, specifically scintillation materials. Substance for quantum electronics based on oxyorthosilicate containing yttrium Y and scandium Sc, and is characterized by chemical formula (Y_1-xSc_x)₂SiO₅, where x varies from 0.6505 f. units up to 1 f. units, is realized in a monoclinic system with a space group B2/b, Z=8, the gear oxygen coordination of which is completely populated with scandium ions in the entire range of the variable x, and elementary crystal cell volume decreases from 0.779 nm³ to 0.74976 nm³ while increasing content of scandium.

EFFECT: invention enables to create an ordered, low-defect crystalline matrix based on oxyorthosilicate.

5 cl, 5 dwg

Description

Изобретение относится к физике твердого тела, в частности к квантовой электронике, и может быть использовано в качестве матрицы для создания сред хранения и считывания информации в квантовых компьютерах; изобретение относится также к ядерной физике, а именно к сцинтилляционным материалам, и может быть использовано для регистрации и измерения рентгеновского, гамма и альфа излучений, для контроля трансурановых радионуклидов в среде обитания человека. Изобретение может быть использовано также в медицине для трехмерной позитрон-электронной томографии и рентгеновской компьютерной флюорографии без использования фотопленки; - в нефтяной промышленности для контроля уровня жидкости в нефтеналивных резервуарах; - в физике твердого тела для неразрушающего контроля структуры твердых тел.The invention relates to solid state physics, in particular to quantum electronics, and can be used as a matrix for creating storage media and reading information in quantum computers; The invention also relates to nuclear physics, namely, to scintillation materials, and can be used to register and measure X-rays, gamma and alpha radiation, to control transuranic radionuclides in the human environment. The invention can also be used in medicine for three-dimensional positron-electron tomography and X-ray computed fluorography without the use of photographic film; - in the oil industry to control the level of liquid in oil tanks; - in solid state physics for non-destructive testing of the structure of solids.

Как известно, длительное время жизни оптически когерентного состояния в кристаллической среде используется для передачи когерентного состояния от электронных к ядерным спинам и обратно. Таким образом, среды, характеризуемые длинными спин-спиновыми и спин-решеточными временами релаксации, представляют интерес для практического воплощения квантовой памяти с безукоризненной точностью воспроизведения. As is known, the long lifetime of the optically coherent state in a crystalline medium is used to transfer the coherent state from electronic to nuclear spins and back. Thus, media characterized by long spin-spin and spin-lattice relaxation times are of interest for the practical implementation of quantum memory with impeccable fidelity.

Известно вещество оксиортосиликат иттрия, химическая формула - Y₂SiO₅, тождественная ей кристаллохимическая формула, описывающая структуру - {Y}(Y)[Si]O₅. Оксиортосиликат иттрия реализуется в моноклинной сингонии с пространственной группой В2/b, (Z=8). Элементарная кристаллическая ячейка оксиортосиликата иттрия содержит 64 иона, из них, восемь ионов иттрия, находятся в семерной кислородной координация, {Y}O₇, еще восемь ионов иттрия расположены в окружении шести ионов кислорода, образующих октаэдр, (Y)O₆. Ионы кремния, расположены в тетраэдрической, четверной кислородной координации, [Si]O₄. Скобки в кристаллохимической формуле обозначают тип координации, химические элементы, находящиеся в 7-ом полиэдре обозначены фигурными скобками, круглые скобки обозначают элементы, находящиеся в кислородном октаэдре, квадратные скобки обозначают элементы, находящиеся в кислородном тетраэдре [References\J.Felsche, Crystal Chemistry of the Rare-Earth silicates 2006.pdf DOI: 10.1007/3-540-06125-8_3 {J. Felsche, The crystal chemistry of the rare-earth silicates, in: J.D. Dunitz, P. Hemmerich, J.A. Ibers, C.K. Jorgensen, J.B. Neilands, Sir R.S. Nyholm, D. Reinen, R.J.P. Williams (Eds.), Structure and Bonding, Vol. 13, Springer-Verlag, Berlin, 1973, pp. 99-197}] Наличие в кристаллической структуре двух позиций для всех редкоземельных элементов, включая иттрий и скандий, является общим существенным недостатком, ограничивающим применение оксиортосиликатов как в качестве оптически активной среды в квантовой электронике, так и в сцинтилляционной технике. Поскольку, оптически активный, редкоземельный ион, занимая обе позиции, имеет две длины волны излучения, два максимума поглощения, как минимум две характеристические постоянные времени жизни, два времени высвечивания при гамма возбуждении, это существенно ухудшает потребительские характеристики изделия, на основе кристаллов оксиортосиликатов. Yttrium oxyorthosilicate is a substance known, the chemical formula is Y ₂ SiO ₅ , its identical crystal chemical formula describing the structure is {Y} (Y) [Si] O ₅ . Yttrium oxyorthosilicate is realized in a monoclinic syngony with the space group B2 / b, (Z = 8). The yttrium elementary crystal cell of yttrium hydroxyorthosilicate contains 64 ions, of which eight yttrium ions are in seven-dimensional oxygen coordination, {Y} O ₇ , eight more yttrium ions are surrounded by six oxygen ions forming the octahedron, (Y) O ₆ . Silicon ions are located in tetrahedral, quadruple oxygen coordination, [Si] O ₄ . The brackets in the crystal-chemical formula denote the type of coordination, the chemical elements in the 7th polyhedron are indicated by curly brackets, the parentheses denote the elements in the oxygen octahedron, the square brackets denote the elements in the oxygen tetrahedron [References \ J.Felsche, Crystal Chemistry of the Rare-Earth silicates 2006.pdf DOI: 10.1007 / 3-540-06125-8_3 {J. Felsche, Jr. Dunitz, P. Hemmerich, JA Ibers, CK Jorgensen, JB Neilands, Sir RS Nyholm, D. Reinen, RJP Williams (Eds.), Structure and Bonding, Vol . 13, Springer-Verlag, Berlin 1973, pp. 99-197}] The presence in the crystal structure of two positions for all rare-earth elements, including yttrium and scandium, is a common significant drawback that limits the use of oxyorthosilicates both as an optically active medium in quantum electronics and in scintillation technology. Since, optically active, rare-earth ion, occupying both positions, has two radiation wavelengths, two absorption maxima, at least two characteristic life time constants, two luminescence times at gamma excitation, this significantly impairs the consumer characteristics of the product, based on hydroxy ortho-silicates.

Оксиортосиликат иттрия, в зависимости от технологии синтеза, реализуется как в пространственной группе B2/b, так называемая, высокотемпературная фаза X2 (обозначаемая как тип В), или - в пространственной группе I2/c - низкотемпературная фаза Х1 (тип А). [References\J.Felsche, Crystal Chemistry of the Rare-Earth silicates 2006.pdf] и [References\Preparation and X-ray characterization of low-temperature phases of R2SiO5.pdf Material Research Bulletin 36 (2001) 1855-1861]. Это обстоятельство является недостатком Y₂SiO₅, затрудняя его технологию.Yttrium oxyorthosilicate, depending on the synthesis technology, is implemented as in the B2 / b space group, the so-called high-temperature phase X2 (denoted as type B), or — in the space group I2 / c - the low-temperature phase X1 (type A). [References \ J.Felsche, Crystal Chemistry of the Rare-Earth silicates 2006.pdf] and [References \ Preparation and X-ray characterization of the low temperature temperatures R2SiO5.pdf Material Research Bulletin 36 (2001) 1855-1861]. This circumstance is a disadvantage of Y ₂ SiO ₅ , complicating its technology.

Известное вещество моноизотопный кристалл Y₂ ²⁸SiO₅, активированный изотопом неодима, ¹⁴³Nd, и реализуемый в пространственной группе B2/b, исследован как потенциальная среда для квантовой памяти. [References\ESR Study of Y2SiO5-Nd143 Isotopically Pure Impurity Crystals for Quantum Memory.pdf DOI: 10.1007/s00723-017-0888-7 Applied Magnetic Resonance (2017)]. Показано, что время спин-спиновой релаксации изотопа неодима в моно-изотопном кристалле Y₂ ²⁸SiO₅ в 1.5 раз больше, чем в полиизотопном оксиортосиликате иттрия, что указывает на перспективность применения моноизотопной матрицы Y₂ ²⁸SiO₅ для применений в квантовых компьютерах. Однако, высокая температура плавления Y₂SiO₅, около 2190°К, удорожает процесс синтеза монокристаллов, технологически ограничивает возможность оптимизации таких свойств вещества как улучшение однородности монокристаллической среды. Вследствие высокой температуры плавления, во время синтеза происходит интенсивное испарение моноокиси кремния, что приводит к мало контролируемому формированию катион-анионных дефектов в структуре кристалла. Дефектная кристаллическая решетка матричного кристалла, приводит к неоднородному уширению оптических переходов и очень коротким временам жизни оптически когерентного состояний. [References\H.de Riedmatten 'Quantum Light Storage in Solid State Atomic' arXiv_1502.00307v1 [quant-ph] 1 Feb 2015.pdf www.arXiv:1502.00307v1 [quant-ph] (2015)] и [References\Thiel 'Rare-earth-doped materials for applications in quantum information storage' J.of Luminescence 131(2011) 353-361.pdf] Существенным недостатком моноизотопной матрицы Y₂ ²⁸SiO₅ является также наличие двух позиций для легирующего, оптически активного моноизотопа неодима, что приводит к неоднородному уширению спектров.The known substance monoisotopic crystal Y ₂ ²⁸ SiO ₅ , activated by the neodymium isotope, ¹⁴³ Nd, and realized in the space group B2 / b, was investigated as a potential medium for quantum memory. Isotopically Pure Impurity Crystals for Quantum Memory.pdf DOI: 10.1007 / s00723-017-0888-7 Applied Magnetic Resonance (2017)]. It is shown that the spin-spin relaxation isotope neodymium mono-isotopic crystal Y ^{₂₈ February} ₅ SiO 1.5 times greater than poliizotopnom yttrium oxyorthosilicate, indicating promising applications monoisotopic matrix Y _{February ²⁸} SiO ₅ for applications in quantum computers. However, the high melting point of Y ₂ SiO ₅ , about 2190 ° K, increases the cost of the synthesis of single crystals, technologically limits the possibility of optimizing such properties of a substance as improving the uniformity of a single crystal medium. Due to the high melting point, during the synthesis, intensive evaporation of silicon monoxide occurs, which leads to a little controlled formation of cation-anion defects in the crystal structure. A defective crystal lattice of a matrix crystal leads to inhomogeneous broadening of optical transitions and very short lifetimes of optically coherent states. [References \ H.de Riedmatten 'Atomic Quantum Light Storage in Solid State' arXiv_1502.00307v1 [quant-ph] 1 Feb 2015.pdf www.arXiv: 1502.00307v1 [quant-ph] (2015)] and [References \ Thiel ' Rare-earth-doped materials for quantum information storage 'J.of Luminescence 131 (2011) 353-361.pdf] A significant disadvantage of the monoisotopic matrix Y ₂ ²⁸ SiO ₅ is also the presence of two positions for the doping, optically active neodymium mono-isotope, which leads to inhomogeneous broadening of the spectra.

Известно вещество оксиортосиликат скандия, Sc₂SiO₅, имеющее моноклинную сингонию с пространственной группой B2/b, Z=8. Моноизотопный оксиортосиликат скандия, Sc₂ ²⁹SiO₅, исследован в качестве среды для квантовой памяти, [References\X2-Sc2SiO5 2009, Synthesis, Rietveld Analysis, and Solid State Nuclear Magnetic Resonanc.pdf DOI: 10.1111/j.1551-2916.2008.02877.x J. Am. Ceram. Soc 92[2] (2009) 487-490]. Кристалл оксиортосиликата скандия является сцинтилляционным веществом, обладающим внутренней люминесценцией. Недостатками этого аналога являются как наличие в его кристаллической структуре двух позиций для активирующей примеси, так и сравнительное длинное время собственной люминесценции, что существенно ограничивает применение данного вещества в качестве сцинтиллятора для физики высоких энергий.Known substance oxyorthosilicate scandium, Sc ₂ SiO ₅ , having a monoclinic syngony with space group B2 / b, Z = 8. Scandium monoisotopic hydroxyorthosilicate, Sc ₂ ²⁹ SiO ₅ , was investigated as a medium for quantum memory, [References \ X2-Sc2SiO5 2009, Synthesis, Rietveld Analysis, and Solid State Nuclear Magnetic Resonanc.pdf DOI: 10.1111 / j.1551-2916.2008.02877 .x J. Am. Ceram. Soc 92 [2] (2009) 487-490]. The crystal of scandium oxyorthosilicate is a scintillation substance with internal luminescence. The disadvantages of this analogue are both the presence in its crystal structure of two positions for an activating impurity, and the comparative long time of intrinsic luminescence, which significantly limits the use of this substance as a scintillator for high energy physics.

Аналогом заявленного вещества для квантовой памяти является также иттрий-скандиевый оксиортосиликат, активированный ионами эрбия, 0.003 ат. % Er³⁺:(Y_0.99Sc_0.01)₂SiO₅. [References\Effects of disorder onoptical and electron spin linewidths in Er,Sc-Y2SiO5.pdf http://dx.doi.org/10.1016/j.optmat.2016.09.039 Optical Materials 63 (2017) 69-67] Недостатком этого вещества являются статические напряжения в кристаллической решетке, наведенные при замещении 1 ат. % иттрия ионами скандия, что увеличивает неоднородное уширение оптических переходов ионов Er³⁺ на длине волны 1.536 мкм примерно в 50 раз по сравнению с кристаллом без скандия состава 0.003 ат. % Er³⁺:Y₂SiO₅.Analogue of the claimed substance for quantum memory is also yttrium-scandium hydroxyorthosilicate, activated by erbium ions, 0.003 at. % Er ³⁺ : (Y _0.99 Sc _0.01 ) ₂ SiO ₅ . [References \ Effects of disorder onoptical and electron spin linewidths in Er, Sc-Y2SiO5.pdf http://dx.doi.org/10.1016/j.optmat.2016.09.039 Optical Materials 63 (2017) 69-67] The disadvantage of this substances are static stresses in the crystal lattice, induced by replacing 1 at. % yttrium with scandium ions, which increases the inhomogeneous broadening of optical transitions of Er ³⁺ ions at a wavelength of 1.536 μm by about 50 times as compared with a crystal without scandium of composition 0.003 at. % Er ³⁺ : Y ₂ SiO ₅ .

Другим, близким по составу аналогом, является вещество на основе твердого раствора иттрий-скандиевого оксиортосиликата, активированного ионами тулия, состава 4 ат % Tm:(Sc_0.5Y_0.5)₂SiO₅, для квантовой электроники [References\Jiaojiao Shi et al., Optical study of Tm-doped solid solution (Sc0.5Y0.5)2SiO5 crystal.pdf J. of Crystal Growth 487 (2018) 83-86 doi.org/10.1016/j.jcrysgro.2018.02.006]. Синтезированный методом Чохральского монокристалл иттрий-скандиевого оксиортосиликата является перспективным лазерным материалом, однако, сильно разупорядоченная кристаллическая структура, возникающая вследствие различия ионных радиусов скандия и иттрия, приводит к сильному неоднородному уширению спектральных линий ионов Tm и к существенному снижению лазерной эффективности системы на основе Tm:(Sc_0.5Y_0.5)₂SiO₅.Another similar analogue in composition is a substance based on a solid solution of yttrium-scandium hydroxyorthosilicate, activated by thulium ions, 4 at% Tm: (Sc _0.5 Y _0.5 ) ₂ SiO ₅ , for quantum electronics [References \ Jiaojiao Shi et al., Optical study of Tm-doped solid solution (Sc0.5Y0.5) 2SiO5 crystal.pdf J. of Crystal Growth 487 (2018) 83-86 doi.org/10.1016/j.jcrysgro.2018.02.006]. A single-crystal yttrium-scandium oxyorthosilicate synthesized by the Czochralski method is a promising laser material; however, a highly disordered crystal structure resulting from the difference in the ionic radii of scandium and yttrium leads to a strong non-uniform broadening of the spectral lines of Tm ions and to a significant decrease in the laser efficiency of the Tm-based system :( Sc _0.5 Y _0.5 ) ₂ SiO ₅ .

Более близким по составу аналогом является также вещество для квантовой электроники на основе твердых растворов иттрий-скандиевого оксиортосиликата, активированное ионами церия, Ce³⁺:(Y_1-xSc_x)₂SiO₅. Твердые растворы образуются при замещении иттрия скандием в диапазоне концентраций, х, от 0 до 0.375 формульных единиц (ф. ед.). Это вещество используется в качестве люминофора, излучающего в голубой области спектра. При замещении ионов иттрия скандием, максимум длины волны излучения смещается в красную область спектра вследствие нефлаксичного (nephelauxetic) эффекта - усиления взаимодействия ионов церия с ионами кислорода в результате уменьшения объема элементарной кристаллической ячейки. При этом энергия излучения ионов Ce³⁺ снижается с 400 нм до 420 нм. Кристаллы изученной серии твердых растворов обладают моноклинной структурой, с пространственной группой симметрии B2/b, Z=8. Объем элементарной кристаллической ячейки твердого раствора иттрий-скандиевого оксиортосиликата, состава Y_1.25Sc_0.75SiO₅ равен 0.817 нм³. [References\Dong Li 'Phosphor Development - Synthesis, Characterization, and Chromatic Control, Abstract of Thesis of Ph.D., April (1999).pdf] Недостатками заявленного вещества являются - высокая температура кристаллизации и неоднородное уширение спектров поглощения и излучения, свойственное для всех твердых растворов, характерным признаком которых является неупорядоченная, дефектная кристаллическая структура и наличие в ней локальных искажений, а также наличие двух позиций для активирующего иона церия. A closer in composition analogue is also a substance for quantum electronics based on solid solutions of yttrium-scandium oxyorthosilicate, activated by cerium ions, Ce ³⁺ : (Y _1-x Sc _x ) ₂ SiO ₅ . Solid solutions are formed by replacing yttrium with scandium in the concentration range, x, from 0 to 0.375 formula units (f. Units). This substance is used as a phosphor, emitting in the blue region of the spectrum. When yttrium ions are replaced by scandium, the maximum of the radiation wavelength shifts to the red region of the spectrum due to the non-flaccid (nephelauxetic) effect - enhancing the interaction of cerium ions with oxygen ions as a result of a decrease in the volume of the elementary crystal cell. At the same time, the radiation energy of Ce ³⁺ ions decreases from 400 nm to 420 nm. The crystals of the studied series of solid solutions have a monoclinic structure, with a spatial symmetry group of B2 / b, Z = 8. The volume of the elementary crystal cell of the yttrium-scandium hydroxyorthosilicate solid solution, the composition of Y _1.25 Sc _0.75 SiO ₅ is 0.817 nm ³ . [References \ Dong Li 'Phosphor Development - Synthesis, Characterization, Chromatic Control, Abstract of Thesis of Ph.D., April (1999) .pdf] The disadvantages of the claimed substance are the high crystallization temperature and the inhomogeneous broadening of the absorption and emission spectra inherent for all solid solutions, a characteristic feature of which is an unordered, defective crystal structure and the presence of local distortions in it, as well as the presence of two positions for an activating cerium ion.

Наиболее близким аналогом заявленного вещества для квантовой электроники, выбранным в качестве прототипа, является твердый раствор иттрий-скандиевый оксиортосиликата, активированный ионами церия, (Ce_0.005Y_0.995-xSc_x)₂SiO₅, где х лежит в диапазоне концентраций от 0 до 0.65 ф. ед., включительно. [References\Jiao et. al., Influence of Rare Earth Sc and La to the Luminescent Properties of FED Blue Phosphor Y2SiO5_Ce.pdf Journal of The Electrochemical Society, 151 (7) J39-J42 (2004) DOI: 10.1149/1.1757463] Вещество синтезировано соль-гель методом и используется в виде поликристаллического порошка в качестве люминофора, излучающего в голубой области спектра.The closest analogue of the claimed substance for quantum electronics, selected as a prototype, is a solid solution of yttrium-scandium hydroxyorthosilicate, activated by cerium ions, (Ce _0.005 Y _0.995-x Sc _x ) ₂ SiO ₅ , where x lies in the concentration range from 0 to 0.65 f. units, inclusive. [References \ Jiao et. al., Influence of Rare Earth Properties for FED Blue Phosphorus Y2SiO5_Ce.pdf Journal of The Electrochemical Society, 151 (7) J39-J42 (2004) DOI: 10.1149 / 1.1757463] The substance has been synthesized by the salt-gel method and Used in the form of polycrystalline powder as a phosphor emitting in the blue region of the spectrum.

При замещении иттрия скандием, в диапазоне концентраций х от 0 до 0.65 ф. ед., прототип образует твердые растворы, которые обладают моноклинной сингонией с пространственной группой симметрии B2/b, Z=8. Объем элементарной ячейки прототипа линейно уменьшается при добавлении Sc вплоть до концентрации x меньше или равной 0.65 ф. ед.. Начиная с концентрации скандия х равном 0.65 ф. ед., что соответствует составу (Ce_0.005Y_0.335Sc_0.65)₂SiO₅, объем элементарной ячейки становится равным 0.806 нм³ и остается постоянным при дальнейшем увеличении содержания скандия вплоть до x равном 0.8 ф. ед., что соответствует составу с химической формулой (Ce_0.005Y_0.15Sc_0.8)₂SiO₅. Недостатком прототипа является отсутствие твердых растворов при концентрации скандия, х, превышающей 0.65 ф. ед. Постоянство объема элементарной кристаллической ячейки прототипа при увеличении концентрации скандия, замещающего иттрий, свидетельствует о том, что исследуемое вещество с химической формулой (Ce_0.005Y_0.995-xSc_x)₂SiO₅ перестает быть однофазным при концентрации скандия более 0.65 ф. ед.. Добавленный скандий, при концентрациях х больше, чем 0.65 ф. ед., выпадает в виде второй фазы, т.е. синтезируется двухфазное, содержащее скандий, вещество неопределенного состава.When yttrium is replaced by scandium, in the concentration range x from 0 to 0.65 f. unit, the prototype forms solid solutions that have a monoclinic syngony with a spatial symmetry group B2 / b, Z = 8. The volume of the unit cell of the prototype decreases linearly with the addition of Sc up to a concentration x less than or equal to 0.65 f. units .. Starting with a concentration of scandium x equal to 0.65 p units, which corresponds to the composition (Ce _0.005 Y _0.335 Sc _0.65 ) ₂ SiO ₅ , the volume of the unit cell becomes equal to 0.806 nm ³ and remains constant with further increase in the content of scandium up to x equal to 0.8 p. units, which corresponds to the composition with the chemical formula (Ce _0.005 Y _0.15 Sc _0.8 ) ₂ SiO ₅ . The disadvantage of the prototype is the absence of solid solutions at a concentration of scandium, x, exceeding 0.65 f. units The constancy of the volume of the prototype elementary crystal cell with an increase in the concentration of scandium, replacing yttrium, indicates that the test substance with the chemical formula (Ce _0.005 Y _0.995-x Sc _x ) ₂ SiO ₅ ceases to be single-phase with a scandium concentration of more than 0.65 lb. units. Added scandium, at concentrations x greater than 0.65 f. units, falls in the form of the second phase, i.e. synthesized biphasic, containing scandium, a substance of uncertain composition.

Кристаллы практически всех известных твердых растворов имеют разупорядоченную, по сравнению с кристаллами стехиометрических составов, кристаллическую структуру, разупорядоченность кристаллической структуры проявляется в существенном неоднородном уширении их оптических характеристик. Разупорядоченная структура и, как следствие, неоднородное уширение оптических спектров является существенным недостатком прототипа.The crystals of almost all known solid solutions have a disordered, compared with the crystals of stoichiometric compositions, a crystal structure, the disordering of the crystal structure manifests itself in a substantial non-uniform broadening of their optical characteristics. The disordered structure and, as a result, inhomogeneous broadening of the optical spectra is a significant disadvantage of the prototype.

Еще одним техническим недостатком прототипа является обязательное наличие ионов церия, поскольку, поликристаллические порошки, активированные церием, не пригодны как в качестве среды хранения и считывания информации в квантовых компьютерах (при данной концентрации церия времена релаксации возбуждений стремятся к нулю), так и в качестве сцинтилляционных материалов, применяемых в физике высоких энергий и в медицинских позитрон-электронных томографах, поскольку, материалы, содержащие скандий, обладают внутренней люминесценцией, что существенно удлиняет время затухания сцинтилляций, и в прототипе существуют два центра люминесценции.Another technical disadvantage of the prototype is the mandatory presence of cerium ions, since polycrystalline powders activated by cerium are not suitable both as a medium for storing and reading information in quantum computers (at a given cerium concentration, the excitation relaxation times tend to zero) and as scintillation materials used in high-energy physics and in medical positron-electron tomographs, since materials containing scandium have intrinsic luminescence It significantly extends the scintillation decay time, and in the prototype there are two luminescence centers.

Недостатком в конкретной форме выполнения матрицы прототипа с химической формулой, (Ce_0.005Y_0.995-xSc_x)₂SiO₅, где х лежит в диапазоне концентраций от 0 до 0.65 ф. ед., является наличие двух позиций для активирующего иона церия во всем объеме концентраций скандия.The disadvantage of a specific form of implementation of the matrix of the prototype with the chemical formula, (Ce _0.005 Y _0.995-x Sc _x ) ₂ SiO ₅ , where x lies in the concentration range from 0 to 0.65 f. units, is the presence of two positions for the activating ion of cerium in the entire volume of concentrations of scandium.

Другим существенным техническим недостатком прототипа является также наличие в его составе неконтролируемого количества ионов бария. По технологии изготовления прототипа, 0.4 весовых процента BaF₂ в качестве флюса добавляется в смесь исходных окислов во время твердофазного синтеза, проводимого при температуре 1500°C. Флюс используется для того, чтобы в прототипе синтезировался церий в степени окисления Ce³⁺. Наличие неконтролируемой примеси бария в веществе неизбежно приводит к увеличению объема элементарной ячейки прототипа.Another significant technical disadvantage of the prototype is the presence in its composition of an uncontrolled amount of barium ions. According to the prototype manufacturing technology, 0.4 weight percent BaF ₂ is added as a flux to the mixture of initial oxides during solid-phase synthesis, carried out at a temperature of 1500 ° C. The flux is used so that in the prototype cerium is synthesized in the oxidation state of Ce ³⁺ . The presence of uncontrolled impurities of barium in the substance inevitably leads to an increase in the volume of the unit cell of the prototype.

Технической задачей, решаемой данным изобретением по пункту 1, является создание упорядоченной, малодефектной кристаллической матрицы на основе оксиортосиликата, содержащего иттрий и скандий, в которой существует только одна позиция для оптически активного редкоземельного иона, излучающего в заданном оптическом диапазоне. Эта задача достигается посредством изменения состава кристалла.The technical problem solved by this invention under paragraph 1 is the creation of an ordered, low-defect crystal matrix based on oxyorthosilicate containing yttrium and scandium, in which there is only one position for an optically active rare-earth ion emitting in a given optical range. This task is achieved by changing the composition of the crystal.

Технический результат достигается вследствие выращивания кристаллов оксиортосиликата, содержащего иттрий, Y, и скандий, Sc. Как показали наши исследования, во всем указанном диапазоне составов, которые характеризуются химической формулойThe technical result is achieved due to the growth of hydroxyorthosilicate crystals containing yttrium, Y, and scandium, Sc. As our studies have shown, in the entire indicated range of compositions, which are characterized by the chemical formula

(Y_1-xSc_x)₂SiO₅,(Y _1-x Sc _x ) ₂ SiO ₅ ,

где х изменяется от 0.6505 до 1 ф. ед., иттрий-скандиевые оксиортосиликаты кристаллизуются в моноклинной сингонии с пространственной группой B2/b, Z = 8, и существует непрерывный ряд твердых растворов иттрий-скандиевого оксиортосиликата, в котором октаэдрическая кислородная позиция полностью заселена только ионами скандия, (Sc)O₆, а семерная кислородная координация заселяется смесью ионов иттрия и скандия, {Y_1-xSc_x}O₇. Структура кристаллов непрерывного ряда твердых растворов иттрий-скандиевого оксиортосиликата характеризуется кристаллохимической формулой, тождественной химической формуле:where x varies from 0.6505 to 1 f. units, yttrium-scandium oxyorthosilicates crystallize in a monoclinic syngony with the B2 / b space group, Z = 8, and there is a continuous series of yttrium-scandium oxyorthosilicate solid solutions in which the octahedral oxygen position is completely populated with scandium ions only, (Sc) O ₆ , and the seven-dimensional oxygen coordination is populated by a mixture of yttrium and scandium ions, {Y _1-x Sc _x } O ₇ . The structure of crystals of a continuous series of solid solutions of yttrium-scandium hydroxyorthosilicate is characterized by a crystal-chemical formula identical to the chemical formula:

{Y_2-2xSc_2x-1}(Sc)[Si]O₅,{Y _2-2x Sc _2x-1 } (Sc) [Si] O ₅ ,

где x изменяется в диапазоне от 0.6505 до 1 ф. ед.where x ranges from 0.6505 to 1 f. units

Наши исследования показали, что динамика заселения ионами скандия позиции с 6-ой кислородной координацией, при замещении ионов иттрия ионами скандия имеет вид, представленный на Фиг. 1. В диапазоне составов до значения х, равного 0.6505 ф. ед., ионы скандия замещают иттрий, находящийся и в 6-ой, и в 7-ой кислородной координациях. Однако, скорость заселения полиэдров различна, поскольку ионы скандия, имеющие меньший, чем ионы иттрия, ионный радиус, предпочитают позицию с меньшим объемом - октаэдрическую. При концентрации скандия равной 0.6505 ф. ед. октаэдрическая кислородная полностью заселяется ионами скандия. При дальнейшем увеличении концентрации скандия, до значения х равного 1 ф. ед., семерная кислородная координация продолжает заселяется смесью ионов иттрия и скандия, {Y_1-xSc_x}O₇.Our research has shown that the dynamics of the settlement of scandium ions with the position of the 6th oxygen coordination, with the substitution of yttrium ions by scandium ions, has the form shown in FIG. 1. In the range of compositions up to x, equal to 0.6505 f. units, scandium ions replace yttrium, which is in the 6th and 7th oxygen coordination. However, the rate of population of polyhedra is different, since scandium ions having a smaller than the yttrium ion ion radius prefer a position with a smaller volume — an octahedral one. With a scandium concentration of 0.6505 p. units octahedral oxygen is completely populated with scandium ions. With further increase in the concentration of scandium, to a value of x equal to 1 f. units, the seven-dimensional oxygen coordination continues to be populated by a mixture of yttrium and scandium ions, {Y _1-x Sc _x } O ₇ .

При этом, как показали наши исследования, Фиг. 2, во всем указанном диапазоне составов, при увеличении содержания скандия, объем элементарной кристаллической ячейки изменяется в диапазоне от 0.779 нм³ до 0.74976 нм³. На Фиг. 2 сравниваются объемы элементарной кристаллической ячейки прототипа и других аналогов с выращенными нами кристаллами оксиортосиликата из ряда твердых растворов составов (Y_1-xSc_x)₂SiO₅, где х равно 0 ф. ед.; 0.375 ф. ед.; 0.6667 ф. ед.; 0.85 ф. ед.; 1 ф. ед.In this case, as shown by our research, FIG. 2, in the entire indicated range of compositions, with an increase in the content of scandium, the volume of the elementary crystal cell varies in the range from 0.779 nm ³ to 0.74976 nm ³ . FIG. 2 compares the volumes of the elementary crystal cell of the prototype and other analogs with the crystals of hydroxyorthosilicate grown from a number of solid solutions of the compositions (Y _1-x Sc _x ) ₂ SiO ₅ , where x is equal to 0 f. unit; 0.375 lbs. unit; 0.6667 ft. unit; 0.85 lbs. unit; 1 f. units

Конкретной технической задачей, решаемой данным изобретением по пунктам 1 и 2, является создание упорядоченной кристаллической среды, в которой дополнительно добавляемый оптически активный редкоземельный ион расположен в полиэдре с одной координацией.A specific technical problem solved by this invention in paragraphs 1 and 2 is the creation of an ordered crystalline medium in which the additionally added optically active rare earth ion is located in a polyhedron with one coordination.

Технический результат в конкретной форме выполнения, а именно, спектр излучения оптически активного иона имеет один максимум, достигается вследствие выращивания кристалла с упорядоченной кристаллической структурой, в которой существует только одна позиция, а именно, семерная кислородная координация для оптически активного редкоземельного иона, дополнительно добавляемого в состав вещества, который выражается химической формулой по пункту 1The technical result in a specific form of execution, namely, the radiation spectrum of an optically active ion has one maximum, is achieved due to growing a crystal with an ordered crystal structure in which there is only one position, namely, the seven-dimensional oxygen coordination for an optically active rare-earth ion additionally added to the composition of the substance, which is expressed by the chemical formula under item 1

Y_2-2x-ySc_2xRE_ySiO₅,Y _2-2x-y Sc _2x RE _y SiO ₅ ,

и его структура характеризуется тождественной кристаллохимической формулойand its structure is characterized by the identical crystal-chemical formula

{Y_2x-2-ySc_2x-1RE_y}(Sc)[Si]O₅,{Y _2x-2-y Sc _2x-1 RE _y } (Sc) [Si] O ₅ ,

где RE - по крайней мере один из элементов группы Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb; где y изменятся от 1×10^-7 ф. ед. до 0.02 ф. ед.where RE is at least one of the elements of the group Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb; where y will change from 1 × 10 ^-7 f. units to 0.02 p. units

Еще одной технической задачей, решаемой данным изобретением по пункту 3, является создание технологичной, упорядоченной, мало-дефектной среды для квантовой электроники, удовлетворяющей требованиям, предъявляемым к средствам хранения и переработки информации в квантовых компьютерах.Another technical problem solved by this invention according to item 3 is the creation of a technologically advanced, orderly, little-defective environment for quantum electronics, satisfying the requirements for the means of storing and processing information in quantum computers.

Технический результат достигается вследствие выращивания кристалла оксиортосиликата, содержащего иттрий, Y, и скандий, Sc. Как показали наши исследования, кристалл, характеризуемый химической формулойThe technical result is achieved due to the growth of a hydroxyorthosilicate crystal containing yttrium, Y, and scandium, Sc. As shown by our research, a crystal characterized by the chemical formula

(Y_1-xSc_x)₂SiO₅,(Y _1-x Sc _x ) ₂ SiO ₅ ,

где x изменяется от 0.6505 ф. ед. до 0.68 ф. ед., имеет в системе Y₂SiO₅ - Sc₂SiO₅ минимум температуры плавления равный 1870°K во всем диапазоне концентраций скандия и кристалл реализуется в моноклинной сингонии, с пространственной группой B2/b, Z=8.where x varies from 0.6505 f. units up to 0.68 lbs. units, the system has Y ₂ SiO ₅ - Sc ₂ SiO ₅ minimum melting point equal to 1870 ° K in the whole range of concentrations of scandium and the crystal is implemented in a monoclinic syngony, with a spatial group B2 / b, Z = 8.

Результаты измерения температуры плавления выращенных нами кристаллов состава (Y_1-xSc_x)₂SiO₅, содержащих скандий в концентрации х = 0; 0.375; 0.6667; 0.85; 1 ф. ед, представлены на Фиг. 3. Зависимость температуры плавления от содержания скандия имеет экстремум температуры, 1870°K, при х, лежащем в диапазоне 0.6505 до 0.68 ф. ед.. Температуры плавления исходных веществ Y₂SiO₅ и Sc₂SiO₅ составляют 2200°K и 2090°K, соответственно. Точность определения локального минимума ограничивается наличием градиентов температуры в расплаве с растущим кристаллом, а также флуктуацией температуры расплава во время измерений.The results of measuring the melting point of crystals of the composition (Y _1-x Sc _x ) ₂ SiO ₅ grown by us, containing scandium at a concentration x = 0; 0.375; 0.6667; 0.85; 1 f. units shown in FIG. 3. The dependence of the melting point on the content of scandium has an extremum temperature, 1870 ° K, with x lying in the range 0.6505 to 0.68 f. units. The melting points of the starting materials Y ₂ SiO ₅ and Sc ₂ SiO ₅ are 2200 ° K and 2090 ° K, respectively. The accuracy of determining the local minimum is limited by the presence of temperature gradients in the melt with a growing crystal, as well as by the fluctuation of the melt temperature during the measurements.

Значительное снижение температуры синтеза по сравнению с исходными веществами, около 300°, позволяет достигнуть технического результата - создания технологичной, мало-дефектной среды для квантовой электроники - вследствие уменьшения испарения одного из летучих компонентов синтезируемого вещества: моноокиси кремния, SiO. При снижении температуры синтеза, расширяется арсенал технологических средств, применяемых при синтезе, как для увеличения воспроизводимости и однородности свойств выращиваемых кристаллов, так и для удешевления технологии. В синтезируемом веществе, при подавлении испарения одного из компонентов, резко уменьшается концентрация анион-катионных дефектов.A significant decrease in the synthesis temperature in comparison with the initial substances, about 300 °, allows to achieve a technical result - the creation of a technologically advanced, little-defective environment for quantum electronics - due to the reduction of evaporation of one of the volatile components of the synthesized substance: silicon monoxide, SiO. With a decrease in the temperature of synthesis, the arsenal of technological means used in the synthesis expands, both to increase the reproducibility and homogeneity of the properties of the grown crystals, and to reduce the cost of technology. In the synthesized substance, with the suppression of evaporation of one of the components, the concentration of anion-cationic defects sharply decreases.

Технической задачей, решаемой данным изобретением в конкретных формах выполнения по пункту 4, является создание высокоупорядоченной кристаллической среды.The technical problem solved by this invention in specific forms of execution under paragraph 4, is the creation of a highly ordered crystalline medium.

Технический результат достигается вследствие выращивания кристалла оксиортосиликата, содержащего иттрий, Y, и скандий, Sc. Как показали наши исследования, кристалл, имеющий состав, характеризуемый химической формулойThe technical result is achieved due to the growth of a hydroxyorthosilicate crystal containing yttrium, Y, and scandium, Sc. As shown by our research, a crystal having a composition characterized by the chemical formula

Y_0.666(6)Sc_1.333(3)SiO₅,Y _{0.666 (6)} Sc _{1.333 (3)} SiO ₅ ,

реализуется в моноклинной сингонии с пространственной группой B2/b, Z=8, параметры элементарной ячейки кристалла a=1.392 нм, b=0.651 нм, c=1.009 нм, β=121.7°, объем 0.77844 нм³, Фиг. 4, и образует в системе Y₂SiO₅ - Sc₂SiO₅ высокоупорядоченную кристаллическую структуру, Фиг. 5, только в случае, если его состав и структура характеризуются кристаллохимической формулой с простым стехиометрическим соотношением компонент:is realized in a monoclinic syngony with the B2 / b space group, Z = 8, the unit cell parameters of the crystal are a = 1.392 nm, b = 0.651 nm, c = 1.009 nm, β = 121.7 °, volume 0.77844 nm ³ , FIG. 4, and in the Y ₂ SiO ₅ - Sc ₂ SiO ₅ system forms a highly ordered crystal structure, FIG. 5, only if its composition and structure are characterized by a crystal-chemical formula with a simple stoichiometric component ratio:

{Y₂Sc}_0.333(3)(Sc)[Si]O₅,{Y ₂ Sc} _{0.333 (3)} (Sc) [Si] O ₅ ,

где число в скобках означает его периодичность. Данное соединение называется химическим соединением, а не механической смесью соединений Y₂SiO₅ и Sc₂SiO₅ поскольку:where the number in parentheses means its frequency. This compound is called a chemical compound, and not a mechanical mixture of compounds Y ₂ SiO ₅ and Sc ₂ SiO ₅ because:

(А) кристаллохимическая формула вещества характеризуется простым стехиометрическим соотношением компонентов, что свойственно только химическим соединениям;(A) the crystal-chemical formula of a substance is characterized by a simple stoichiometric ratio of components, which is characteristic only of chemical compounds;

(Б) отклонение свойства механической смеси ряда Y₂SiO₅-Sc₂SiO₅ от прямолинейной зависимости, характерной для твердых растворов, показанное на Фиг. 2 и Фиг. 3, указывает на наличие химического взаимодействия, в сингулярной точке, в результате которого образуется химическое соединение, имеющее своими компонентами Y₂SiO₅ и Sc₂SiO₅. Существенно, что сингулярная точка на Фиг. 3 отвечает стехиометрическому отношению компонентов (отношение концентраций ионов иттрия к ионам скандия равно 2/1);(B) the deviation of the property of the mechanical mixture of the Y ₂ SiO ₅ -Sc ₂ SiO ₅ series from the straight line dependence characteristic of solid solutions, shown in FIG. 2 and FIG. 3 indicates the presence of a chemical interaction, at a singular point, as a result of which a chemical compound is formed having Y ₂ SiO ₅ and Sc ₂ SiO ₅ components. Significantly, the singular point in FIG. 3 corresponds to the stoichiometric ratio of the components (the ratio of the concentrations of yttrium ions to scandium ions is 2/1);

(В) по кристаллохимическим представлениям, сингулярной точке в области твердых растворов соответствуют составы с максимумом упорядоченности [References\Аносов Основы физико-химического анализа, 'Наука' М. (1976).pdf]; как показали наши исследования, представленные на Фиг. 5 и в Таблице 1, кристалл состава, характеризуемого кристаллохимической формулой с простым стехиометрическим соотношением компонентов(B) according to crystal chemical representations, a composition with maximum ordering corresponds to a singular point in the field of solid solutions [References \ Anosov Fundamentals of physical and chemical analysis, 'Science' M. (1976) .pdf]; as shown by our studies presented in FIG. 5 and in Table 1, a crystal of the composition characterized by a crystal-chemical formula with a simple stoichiometric ratio of components

{Y₂Sc₁}_0.333(3)(Sc)[Si]O₅,{Y ₂ Sc ₁ } _{0.333 (3)} (Sc) [Si] O ₅ ,

имеет в системе Y₂SiO₅-Sc₂SiO₅ более упорядоченную кристаллическую структуру, чем его исходные компоненты стехиометрического состава Y₂SiO₅ и Sc₂SiO₅.has in the Y ₂ SiO ₅ -Sc ₂ SiO _{5 system a} more ordered crystal structure than its initial components of the stoichiometric composition Y ₂ SiO ₅ and Sc ₂ SiO ₅ .

Из данных фиг. 5 и Таблицы 1 следует, что кристаллы состава {Y₂Sc₁}_0.333(3)(Sc)[Si]O₅, имеют наиболее упорядоченную кристаллическую структуру по сравнению с кристаллами стехиометрического состава Y₂SiO₅ и Sc₂SiO₅. Таким образом, в изобретении реализуется техническая задача создания упорядоченной кристаллической среды, в которой время жизни оптически когерентного состояния существенно увеличено по сравнению с твердыми растворами [References\H.de Riedmatten 'Quantum Light Storage in Solid State Atomic' arXiv_1502.00307v1 [quant-ph] 1 Feb 2015.pdf]. Время существования оптически когерентного состояния - существенно важная характеристика процесса передачи когерентного состояния от электронных к ядерным спинам и обратно. Среды, характеризуемые длинными спин-спиновыми и спин-решеточными временами релаксации, представляют интерес для практического воплощения квантовой памяти с безукоризненной точностью воспроизведения.From the data of FIG. 5 and Table 1, it follows that the crystals of the composition {Y ₂ Sc ₁ } _{0.333 (3)} (Sc) [Si] O ₅ , have the most ordered crystal structure compared to the crystals of the stoichiometric composition Y ₂ SiO ₅ and Sc ₂ SiO ₅ . Thus, the invention implements the technical task of creating an ordered crystalline medium in which the lifetime of the optically coherent state is significantly increased compared with solid solutions [References \ H.de Riedmatten 'Quantum ph1.1502.00307v1 [quant-ph ] 1 Feb 2015.pdf]. The lifetime of the optically coherent state is an essential characteristic of the process of transferring a coherent state from electronic to nuclear spins and vice versa. Environments characterized by long spin-spin and spin-lattice relaxation times are of interest for the practical implementation of quantum memory with impeccable fidelity.

В конкретной форме выполнения, технической задачей изобретения по пунктам 4 и 5 является также создание упорядоченной кристаллической среды для квантовой памяти, пригодной для хранения и передачи оптически когерентного возбуждения.In a specific form of execution, the technical task of the invention in paragraphs 4 and 5 is also the creation of an ordered crystalline medium for quantum memory suitable for storing and transmitting optically coherent excitation.

В конкретной форме выполнения изобретения технический результат, выражающийся в создании оптически активной, упорядоченной кристаллической среды, достигается вследствие выращивания кристалла состава по п. 4, дополнительно содержащего оптически активные редкоземельные ионы, RE, где RE - по крайней мере один из элементов группы оптически активных редкоземельных ионов Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb концентрация которых, y, изменятся от 1×10^-7 ф. ед. до 0.02 ф. ед.. Поскольку ионный радиус редкоземельных ионов больше, чем ионный радиус скандия, при введении в структуру кристалла, они замещают ионы иттрия, расположенные в семерной координации. Вследствие этого кристалл, характеризуемый составом по п.4, при дополнительном введении RE, описывается химической формулойIn a specific embodiment of the invention, the technical result, which is expressed in the creation of an optically active, ordered crystalline medium, is achieved by growing a crystal of composition according to claim 4, further comprising optically active rare earth ions, RE, where RE is at least one of the elements of the optically active rare earth group Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb ions whose concentration, y, varies from 1 × 10 ^-7 f. units to 0.02 p. units. Since the ionic radius of rare-earth ions is larger than the ionic radius of scandium, when introduced into the crystal structure, they replace yttrium ions located in seven-dimensional coordination. As a consequence, the crystal, characterized by the composition according to claim 4, with the additional introduction of RE, is described by the chemical formula

Y_0.666(6)-ySc_1.333(3)RE_ySiO_5, Y _{0.666 (6) -y} Sc _{1.333 (3)} RE _y SiO _5,

и структурой, характеризуемой тождественной ей кристаллохимической формулойand structure characterized by the crystal-chemical formula identical to it

{Y_0.666(6)-ySc_0.333(3)RE_y}(Sc)[Si]O₅,{Y _{0.666 (6) -y} Sc _{0.333 (3)} RE _y } (Sc) [Si] O ₅ ,

Таким образом достигается конкретный технический результат, создается упорядоченная кристаллическая среда для квантовой памяти, пригодная для хранения и передачи оптически когерентного возбуждения. [References\Thiel 'Rare-earth-doped materials for applications in quantum information storage' J.of Luminescence 131(2011) 353-361.pdf]Thus, a specific technical result is achieved, an ordered crystalline medium for a quantum memory is created, suitable for storing and transmitting optically coherent excitation. [References \ Thiel 'Rare-earth-doped materials for use in quantum information storage J.of Luminescence 131 (2011) 353-361.pdf]

Сущность предлагаемых технических решений иллюстрируется следующим графическим материалом:The essence of the proposed technical solutions is illustrated by the following graphic material:

В Таблице 1 сравниваются спектры дифрактограмм и параметры неоднородного уширения кристаллов оксиортосиликатов иттрия, скандия и (YSc₂) стехиометрических составов, измеренные в диапазоне углов, 2θ, от 56.8° до 59.7°, для плоскостей с индексами, h k l, равными 2 4 0, соответственно. Наименьшую ширину на полувысоте, FMHW, равную 0.0467°, имеют образцы состава Y_0.666(6)Sc_1.333(3)SiO₅ с кристаллохимической формулой {Y₂Sc}_0.3(3)(Sc)[Si]O₅.Table 1 compares the diffractogram spectra and inhomogeneous broadening parameters of yttrium, scandium, and (YSc ₂ ) oxyorthosilicate crystals of stoichiometric compositions, measured in the angular range, 2θ, from 56.8 ° to 59.7 °, for planes with indices, hkl equal to 2 4 0, respectively . The smallest width at half-height, FMHW, equal to 0.0467 °, has samples of composition Y _{0.666 (6)} Sc _{1.333 (3)} SiO ₅ with the crystal-chemical formula {Y ₂ Sc} _{0.3 (3} ) (Sc) [Si] O ₅ .

В Таблице 2 представлены составы расплавов и выращенных из них кристаллов иттрий-скандиевых оксиортосиликатов, выращенных методом Чохральского, а также температуры плавления кристаллов конкретных составов, аналогов и прототипа. Указаны объемы элементарной кристаллической решетки выращенных кристаллов и их аналогов.Table 2 presents the compositions of melts and crystals of yttrium-scandium oxyorthosilicates grown from them, grown by the Czochralski method, as well as the melting points of crystals of specific compositions, analogs, and prototype. The volumes of the elementary crystal lattice of the grown crystals and their analogues are indicated.

На Фиг. 1 представлена динамика заселения 6-ой кислородной координаций ионами Sc в структуре оксиортосиликата состава (Y_1-xSc_x)₂SiO₅ в зависимости от концентрации Sc, х. Из Фиг. 1 следует, что при концентрации скандия равной 0.666(6) ф. ед., ионы иттрия, в 6-ой кислородной координации, полностью замещены ионами скандия.FIG. Figure 1 shows the dynamics of the filling of the 6th oxygen coordination by Sc ions in the structure of the hydroxyorthosilicate of the composition (Y _1-x Sc _x ) ₂ SiO ₅ depending on the concentration of Sc, x. Of FIG. 1 it follows that when the concentration of scandium is 0.666 (6) f. units, yttrium ions, in the 6th oxygen coordination, are completely replaced by scandium ions.

На Фиг. 2 сравниваются зависимости объема элементарной ячейки кристалла состава (Y_1-xSc_x)₂SiO₅ от концентрации скандия. Зависимость 1 - это теоретическая линейная зависимость, которая выполняется в случае существования непрерывного ряда твердых растворов между соединениями Y₂SiO₅ и Sc₂SiO₅ (правило Вегарда); зависимость 2 построена по данным представленным в аналоге [References\Dong Li 'Phosphor Development - Synthesis, Characterization, and Chromatic Control, Abstract of Thesis of Ph.D., April (1999).pdf]; зависимость 3 построена по данным представленным в прототипе [References\Jiao et. al., Influence of Rare Earth Sc and La to the Luminescent Properties of FED Blue Phosphor Y2SiO5_Ce.pdf Journal of The Electrochemical Society, 151 (7) J39-J42 (2004)]; зависимость 4 построена по данным, полученным на образцах выращенных нами кристаллов составов (Y_1-xSc_x)₂SiO₅, где х равно 0; 0.35; 0.666(6); 0.85; 1 ф. ед.. Как показывают наши исследования, в отличие от данных прототипа, во всем диапазоне составов скандия больших 0.65 ф. ед. объем элементарной кристаллической ячейки линейно уменьшается от 0.779 нм³ и достигает 0.74976 нм³ при концентрации скандия х равно 1 ф. ед..FIG. 2 compares the dependence of the volume of the unit cell of the crystal of the composition (Y _1-x Sc _x ) ₂ SiO ₅ on the concentration of scandium. Dependence 1 is a theoretical linear relationship that holds in the case of the existence of a continuous series of solid solutions between the Y ₂ SiO ₅ and Sc ₂ SiO ₅ compounds (Vegard's rule); Dependence 2 is constructed according to the data presented in the analogue of [References \ Dong Li 'Phosphor Development - Synthesis, Characterization, Chromatic Control, Abstract of Thesis of Ph.D., April (1999) .pdf]; Dependence 3 is built according to the data presented in the prototype [References \ Jiao et. al., Influence of Rare Earth Properties for FED Blue Phosphorus Y2SiO5_Ce.pdf Journal of The Electrochemical Society, 151 (7) J39-J42 (2004)]; dependence 4 is constructed according to the data obtained on samples of crystals of the compositions (Y _1-x Sc _x ) ₂ SiO ₅ grown by us, where x is 0; 0.35; 0.666 (6); 0.85; 1 f. units .. As shown by our studies, in contrast to the data of the prototype, in the whole range of scandium compositions of large 0.65 lbs. units the volume of the elementary crystal cell decreases linearly from 0.779 nm ³ and reaches 0.74976 nm ³ at a concentration of scandium x equal to 1 f. ed ..

На Фиг. 3 представлены температуры плавления кристалла состава (Y_1-xSc_x)₂SiO₅ в зависимости от концентрации скандия, в диапазоне значений концентраций х от 0 ф. ед. до 1 ф. ед., включительно. На графике (1) указана линейная зависимость температуры плавления от содержания скандия, которая выполняется в случае существования непрерывного ряда твердых растворов между соединениями Y₂SiO₅ и Sc₂SiO₅ (правило Вегарда); на графике (2) указана полученная нами экспериментальная зависимость температуры плавления при изменении содержания скандия в кристалле состава (Y_1-xSc_x)₂SiO₅, где х изменяется в диапазоне от 0 ф. ед. до 1 ф. ед.FIG. 3 shows the melting point of a crystal of the composition (Y _1-x Sc _x ) ₂ SiO ₅ , depending on the concentration of scandium, in the range of concentrations x from 0 f. units up to 1 p. units, inclusive. The graph (1) shows the linear dependence of the melting point on the content of scandium, which is performed in the case of the existence of a continuous series of solid solutions between the compounds Y ₂ SiO ₅ and Sc ₂ SiO ₅ (Vegard's rule); graph (2) shows the experimental dependence of the melting point obtained by us with a change in the content of scandium in the crystal of the composition (Y _1-x Sc _x ) ₂ SiO ₅ , where x varies in the range from 0 f. units up to 1 p. units

На Фиг. 4 приведены дифрактограммы монокристаллов составов Y_0.666(6)Sc_1.333(3)SiO₅, Y₂SiO₅ и Sc₂SiO₅.FIG. 4 shows the diffraction patterns of single crystals of the compositions Y _{0.666 (6)} Sc _{1.333 (3)} SiO ₅ , Y ₂ SiO ₅ and Sc ₂ SiO ₅ .

На Фиг. 5 сравнивается уширение спектральных линий дифрактограмм кристаллов составов: Sc₂SiO₅ (график 1), Y₂SiO₅ (график 2), Y_0.699Sc_1.301SiO₅ (график 5), Y_0.666(6)Sc_1.333(3)SiO₅ (график 4) и Y_0.64Sc_1.36SiO₅ (график 3), снятых в диапазоне углов 2тетта от 56.62^о до 59.82^о.FIG. 5 compares the broadening of the spectral lines of diffraction patterns of crystals of the following compositions: Sc ₂ SiO ₅ (plot 1), Y ₂ SiO ₅ (plot 2), Y _0.699 Sc _1.301 SiO ₅ (plot 5), Y _{0.666 (6)} Sc _{1.333 (3)} SiO ₅ (graph 4) and Y _0.64 Sc _1.36 SiO ₅ (graph 3), taken in the range of 2tet angles from 56.62 ^o to 59.82 ^o .

Из Фиг. 5 следует, что наименьшее уширение линии на полувысоте, т.е. наиболее упорядоченную кристаллографическую структуру, имеет кристалл состава Y_0.666(6)Sc_1.333(3)SiO₅, характеризуемый тождественной кристаллохимической формулой {Y₂Sc}_0.333(3)(Sc)[Si]O₅, график (4). Его полуширина равна 0.0467°. Наиболее разупорядоченную структуру, имеют кристаллы оксиортосиликата иттрия, Y₂SiO₅ (график 2) и Y-Sc оксиортосиликата Y_0.64 Sc_1.36SiO₅, (график 3).Of FIG. 5 it follows that the smallest line broadening at half-height, i.e. The most ordered crystallographic structure has a crystal of composition Y _{0.666 (6)} Sc _{1.333 (3)} SiO ₅ , characterized by the identical crystal-chemical formula {Y ₂ Sc} _{0.333 (3)} (Sc) [Si] O ₅ , graph (4). Its half-width is 0.0467 °. The most disordered structure has yttrium hydroxyorthosilicate crystals, Y ₂ SiO ₅ (plot 2) and Y-Sc oxiosilicate Y _0.64 Sc _1.36 SiO ₅ , (plot 3).

В предлагаемом по первому и второму вариантам вещества для квантовой электроники на основе известных кристаллов оксиортосиликатов, содержащих Y и Sc, состав кристаллов выражается химической формулой:In the proposed for the first and second variants of the substance for quantum electronics based on the known crystals of hydroxyorthosilicates containing Y and Sc, the composition of the crystals is expressed by the chemical formula:

(Y_1-xSc_x)₂SiO₅,(Y _1-x Sc _x ) ₂ SiO ₅ ,

где x изменяется от 0.6505 ф. ед. до 1 ф. ед..where x varies from 0.6505 f. units up to 1 p. ed ..

Нижняя граница содержания Sc по пунктам 1 и 2, а также по пункту 3, имеющему тот же нижний предел содержания Sc, в формуле изобретения определяется тем, что при концентрациях ниже указанного предела технический результат, заключающийся в создании упорядоченной, малодефектной кристаллической матрицы, в которой существует только одна позиция для ионов Y, не наблюдается. При содержании Sc менее указанного предела Y занимает позицию в 6-ом кислородном полиэдре, в результате кристаллическая структура становится разупорядоченной.The lower limit of Sc content in paragraphs 1 and 2, as well as paragraph 3, having the same lower limit of Sc content, in the claims is determined by the fact that at concentrations below the specified limit the technical result consists in creating an ordered, poorly defective crystalline matrix, in which there is only one position for Y ions, not observed. When the content of Sc is less than the specified limit, Y occupies a position in the 6th oxygen polyhedron, as a result, the crystal structure becomes disordered.

Максимальный технический результат по пунктам 2 и 5 формулы изобретения достигается в кристаллах, содержащих оптически активные ионы RE, где RE - по крайней мере один из элементов группы Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, только в координационных полиэдрах {Y}O₇ семерной координации, поскольку позиции с 6-ой, октаэдрической координацией полностью занимают ионы скандия, в результате их более высокой энергии связи ионов. [References\J.Felsche, Crystal Chemistry of the Rare-Earth silicates 2006.pdf] При содержании Sc ниже указанного предела не достигается выполнение технической задачи в конкретных формах выполнения, а именно редкоземельный, оптически активный ион, добавляемый в вещество по пункту 2 формулы изобретения, замещая ион иттрия, заселяется в позицию с 6-ой кислородной координацией. В результате спектры поглощения и излучения уширяются, ухудшая технические характеристики вещества.The maximum technical result of paragraphs 2 and 5 of the claims is achieved in crystals containing optically active RE ions, where RE is at least one of the elements of the group Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, only in the coordination polyhedra {Y} O _{7 of the seven-} dimensional coordination, since positions from the 6th, octahedral coordination are fully occupied by scandium ions, as a result of their higher ion binding energy. [References \ J.Felsche, Crystal Chemistry of the Rare-Earth silicates 2006.pdf] When the content of Sc is below a specified limit, the technical task is not achieved in specific forms of execution, namely, a rare-earth, optically active ion added to the substance according to claim 2 the invention, replacing the yttrium ion, is populated in the position with the 6th oxygen coordination. As a result, the absorption and emission spectra are broadened, worsening the technical characteristics of the substance.

Верхняя граница содержания ионов Sc по пунктам 1 и 2 формулы изобретения определяется тем, что при концентрации Sc равной указанному пределу, полиэдр с 7-ой кислородной координацией полностью заселяется ионами Sc, в результате кристаллическая структура становится неоднородной, уширение спектров увеличивается.The upper limit of the content of Sc ions in paragraphs 1 and 2 of the claims is determined by the fact that when the concentration of Sc is equal to the specified limit, the polyhedron with the 7th oxygen coordination is completely populated with Sc ions, as a result the crystal structure becomes heterogeneous, the broadening of the spectra increases.

В предлагаемом по третьему варианту вещества для квантовой электроники на основе известных кристаллов оксиортосиликатов, содержащих Y и Sc, состав кристаллов выражается химической формулой:In the proposed for the third version of the substance for quantum electronics on the basis of the known crystals of hydroxy-silicates containing Y and Sc, the composition of the crystals is expressed by the chemical formula:

(Y_1-xSc_x)₂SiO₅,(Y _1-x Sc _x ) ₂ SiO ₅ ,

где x изменяется от 0.6505 ф. ед. до 0.68 ф. ед..where x varies from 0.6505 f. units up to 0.68 lbs. ed ..

Выбор нижней границы содержания скандия по третьему варианту формулы изобретения уже был частично обоснован в предыдущих абзацах. При содержании ионов скандия ниже указанного предела не достигается также выполнение технической задачи в конкретных формах, а именно, создание технологичной, мало-дефектной среды по пункту 3 формулы изобретения. Как показали наши исследования, Фиг. 3, температура плавления кристаллов с концентрацией Sc ниже указанного предела возрастает в результате, увеличивается испарение моноокиси кремния, SiO, одного из основных компонент синтезируемого вещества, что приводит к снижению воспроизводимости и однородности свойств выращиваемых кристаллов. Повышение температуры синтеза усложняет технологию бездефектных кристаллов оксиортосиликатов, снижает арсенал технологических средств, применяемых при синтезе. С повышением температуры плавления в синтезируемом веществе, увеличивается концентрация анион-катионных дефектов.The choice of the lower limit of the content of scandium according to the third variant of the formula of the invention has already been partially justified in the previous paragraphs. When the content of scandium ions below the specified limit is also not achieved, the implementation of the technical task in specific forms, namely, the creation of high-tech, little-defective environment under paragraph 3 of the claims. As our studies have shown, FIG. 3, the melting point of crystals with a concentration of Sc below the specified limit increases as a result, evaporation of silicon monoxide, SiO, one of the main components of the synthesized substance, increases, which leads to a decrease in the reproducibility and uniformity of the properties of the grown crystals. Increasing the temperature of the synthesis complicates the technology of defect-free crystals of oxyorthosilicates, reduces the arsenal of technological tools used in the synthesis. With increasing melting temperature in the synthesized substance, the concentration of anion-cationic defects increases.

Верхняя граница содержания ионов Sc по пункту 3 формулы изобретения определяется тем, что при концентрации Sc выше указанного предела выполнение технической задачи в конкретных формах, а именно, создание технологичной, мало-дефектной среды по пункту 3 формулы изобретения, не достигается, поскольку температура плавления кристалла, имеющая экстремальную зависимость от концентрации Sc, резко увеличивается от минимального значения 1870°К к максимальному - 2090°K.The upper limit of the content of Sc ions according to paragraph 3 of the claims is determined by the fact that, at a concentration of Sc above the specified limit, the implementation of a technical task in specific forms, namely, the creation of a technologically advanced, little-defective medium according to paragraph 3 of the claims, is not achieved, since , which has an extreme dependence on the concentration of Sc, sharply increases from a minimum value of 1870 ° K to a maximum value of 2090 ° K.

Точность определения локального минимума температуры плавления ограничивается наличием градиентов температуры в расплаве с растущим кристаллом, а также флуктуацией температуры расплава во время измерений. Измерение температуры, достигающей более 2300°К в расплаве с растущим кристаллом, проводилось с помощью иридий/иридий-родиевой термопары, Ir/Ir+50%Rh, которая перемещалась по объему расплава с помощью двухкоординатного манипулятора. Сигнал с термопары регистрировался на самопишущем потенциометре, точность измерения составляла ±5°. Методика измерения температуры расплава описана в [References\Выращивание кристаллов РЗ скандиевых гранатов, Труды ИОФАН т.26 (2000) 160 стр., М. Наука.pdf]The accuracy of determining the local minimum melting point is limited by the presence of temperature gradients in the melt with a growing crystal, as well as by the fluctuation of the melt temperature during the measurements. The temperature, reaching more than 2300 ° K in the melt with a growing crystal, was measured using an iridium / iridium-rhodium thermocouple, Ir / Ir + 50% Rh, which was moved throughout the melt using a two-coordinate manipulator. The signal from the thermocouple was recorded on a self-recording potentiometer, the measurement accuracy was ± 5 °. A technique for measuring the temperature of a melt is described in [References \ Growing crystals of rare earth scandium garnet, Proceedings of IOFAN, vol.26 (2000) 160 pp., M. Nauka.pdf]

Выбор нижней границы содержания оптически активных редкоземельных ионов, RE, по пунктам 2 и 5 формулы изобретения обоснован тем, что при концентрации RE менее, чем 1×10^-7 ф. ед., не достигается выполнения технической задачи, а именно создание эффективной среды для квантовой памяти, вследствие низкой интенсивности сигнала при восстановлении когерентного состояния из-за малой концентрации оптически активных ионов.The choice of the lower limit of the content of optically active rare earth ions, RE, in paragraphs 2 and 5 of the claims is justified by the fact that when the concentration of RE is less than 1 × 10 ^-7 f. units, not achieved the implementation of the technical task, namely the creation of an effective environment for quantum memory, due to the low signal intensity when recovering the coherent state due to the low concentration of optically active ions.

Выбор верхней границы содержания оптически активных редкоземельных ионов, RE, по пунктам 2 и 5 формулы изобретения обоснован тем, что при концентрации RE более, чем 0.02 ф. ед., не достигается выполнение технического результата - создание эффективной среды для квантовой памяти, поскольку при концентрации оптически активных редкоземельных ионов RE выше указанного предела, оптически когерентное состояние не достигается из-за сильного обменного взаимодействия между ближайшими RE ионами.The choice of the upper limit of the content of optically active rare earth ions, RE, in paragraphs 2 and 5 of the claims, is justified by the fact that when the concentration of RE is more than 0.02 p. units, the implementation of the technical result is not achieved - the creation of an effective medium for quantum memory, since when the concentration of optically active rare-earth ions RE is above the specified limit, the optically coherent state is not reached due to the strong exchange interaction between the nearest RE ions.

Примеры конкретных составов кристаллов и аналогов, выращенных методом Чохральского, приведены в Таблицах 1 и 2.Examples of specific compositions of crystals and analogs grown by the Czochralski method are given in Tables 1 and 2.

Пример 1. Выращивание кристаллов оксиортосиликатов моноклинной сингонии с пространственной группой B2/b (Z=8).Example 1. Growing crystals of the oxyorthosilicates of the monoclinic syngony with the space group B2 / b (Z = 8).

Выращивание этих кристаллов осуществлялось по общей схеме расплава любым методом, в частности методом Чохральского, технология которого подробно описана в [References\Выращивание кристаллов РЗ скандиевых гранатов, Труды ИОФАН т.26 (2000) 160 стр., М. Наука.pdf].The growth of these crystals was carried out according to the general scheme of the melt by any method, in particular, the Czochralski method, the technology of which is described in detail in [References \ Growing of RE-crystals of scandium garnets, IOFAN Proceedings, 26 (2000) 160 p.

Для выращивания моноизотопного кристалла иттриевого оксиортосиликата стехиометрического состава методом Чохральского использовали шихту с химическим составом Y₂ ²⁸SiO₅. При этом использовали следующий способ получения образцов: исходные реактивы оксид иттрия чистотой 99,995% и оксид моноизотопа кремния-28 чистотой 99.995% тщательно перемешивали, прессовали в таблетки и синтезировали в платиновом тигле в течении 10 час при 1473°К. Затем, посредством индукционного нагрева, таблетки расплавляли в иридиевом тигле в герметичной ростовой камере в атмосфере аргона (100 объемных % Ar). Выращивание кристалла методом Чохральского осуществляли на промышленной установке «Кристалл-3М», оборудованной датчиком веса для автоматического контроля диаметра растущего кристалла. Диаметр иридиевого тигля 40 мм, вытягивание растущего кристалла производилось на затравочный кристалл Y₂SiO₅, ориентация затравки - <100>, скорость вытягивания кристалла - 2 мм/ч, частота вращения - 10 об/мин. После отрыва от расплава выращенный монокристалл состава Y₂ ²⁸SiO₅, диаметром 18 мм и длиной 60 мм постепенно охлаждался до комнатной температуры в течении 18 часов.To grow a monoisotopic crystal of yttrium hydroxyorthosilicate of stoichiometric composition, the Czochralski method used the mixture with the chemical composition Y ₂ ²⁸ SiO ₅ . The following method of sample preparation was used: the initial reagents yttrium oxide with a purity of 99.995% and silicon monoisotope oxide of 28 with a purity of 99.995% were thoroughly mixed, pressed into tablets and synthesized in a platinum crucible for 10 hours at 1473 ° K. Then, by means of induction heating, the tablets were melted in an iridium crucible in a sealed growth chamber in an argon atmosphere (100% by volume Ar). Crystal growing by the Czochralski method was carried out on the industrial installation "Crystal-3M", equipped with a weight sensor for automatic control of the diameter of the growing crystal. The diameter of the iridium crucible was 40 mm, the stretching of the growing crystal was carried out on a Y ₂ SiO ₅ seed crystal, the orientation of the seed was <100>, the speed of pulling the crystal was 2 mm / h, the rotation frequency was 10 rpm. After separation from the melt, the grown single crystal of composition Y ₂ ²⁸ SiO ₅ , with a diameter of 18 mm and a length of 60 mm, was gradually cooled to room temperature for 18 hours.

По аналогичной технологии выращивались кристаллы составов, указанных в Таблице 2. В Таблице 2 указаны также составы расплавов, из которых растились эти кристаллы, и температуры их плавления. В системе Y₂SiO₅ - Sc₂SiO₅, при соотношении компонент Y/Sc равном ½, температура плавления резко снижается, достигая в экстремальной точке значения примерно на 300° ниже, чем температуры плавления исходных соединений. На Фиг. 3 представлена зависимость температуры плавления соединения (Y_1-xSc_x)₂SiO₅ от концентрации скандия, х. Температуры расплавов измерялись по описанной выше методике.Using a similar technology, crystals of the compositions listed in Table 2 were grown. Table 2 also shows the compositions of the melts from which these crystals were grown, and their melting temperatures. In the Y ₂ SiO ₅ - Sc ₂ SiO _{5 system} , with a component ratio of Y / Sc equal to ½, the melting temperature drops sharply, reaching values at an extreme point about 300 ° lower than the melting temperature of the starting compounds. FIG. 3 shows the dependence of the melting point of the compound (Y _1-x Sc _x ) ₂ SiO ₅ on the concentration of scandium, x. The temperature of the melts was measured by the method described above.

Химический состав кристаллов измерялся методом электронно-зондового микроанализа с использованием аналитической системы INCA Energy, установленной на сканирующем электронном микроскопе JSM 5910-LV.The chemical composition of the crystals was measured by electron probe microanalysis using the INCA Energy analytical system installed on a JSM 5910-LV scanning electron microscope.

Пример 2. Исследование структуры синтезированных кристаллов оксиортосиликата, содержащего иттрий и скандий, (Y_xSc_1-x)₂SiO₅, проводилось по стандартной методике рентгеноструктурных измерений. Запись дифрактограммы проводилась на рентгеновском дифрактометре Bruker D8 Discover A25 DaVinsi Design. Радиус гониометра 280 мм. Источник излучения - керамическая рентгеновская трубка Siemens KFL, размеры фокуса: 0.4 мм × 12 мм. Режимы съемки: излучение CuKα, Kβ-фильтр, U=40 кВ, I=40 мА, геометрия Брэгг-Брентано, коллиматоры Соллера 2.5⁰, щель - 0.638 мм, детектор LYNXEYE. Интервал сканирования, угол 2тетта, 2θ равен 10°-65°, шаг сканирования 0.01°, экспозиция в шаге - 7.5 с. Спектры обрабатывались программой EVA версия 2.1. Расшифровка спектров проводилась с использованием базы данных PDF-2, например, по версии 2011 года. Индицирование спектров и определение параметров элементарной ячейки проводились с помощью программы TOPAS version 4.2. На фиг. 4 приведена дифрактограмма монокристалла состава Y_0.666(6)Sc_1.333(3)SiO₅, и дифрактограммы кристаллов известной структуры Y₂SiO₅, и Sc₂SiO₅.Example 2. The study of the structure of the synthesized hydroxyorthosilicate crystals containing yttrium and scandium, (Y _x Sc _1-x ) ₂ SiO ₅ , was carried out according to the standard method of x-ray structural measurements. The diffractogram was recorded on a Bruker D8 Discover A25 DaVinsi Design X-ray diffractometer. Goniometer radius 280 mm. The radiation source is a Siemens KFL ceramic x-ray tube, focus dimensions: 0.4 mm × 12 mm. Shooting modes: CuKα radiation, Kβ-filter, U = 40 kV, I = 40 mA, Bragg-Brentano geometry, Soller collimators 2.5 ⁰ , slit - 0.638 mm, detector LYNXEYE. The scan interval, the angle of 2tet, 2θ is 10 ° –65 °, the scanning step is 0.01 °, the exposure in step is 7.5 s. The spectra were processed by the EVA version 2.1 program. The interpretation of the spectra was carried out using the PDF-2 database, for example, according to the 2011 version. Indication of the spectra and determination of the parameters of the unit cell were carried out using the TOPAS program version 4.2. FIG. 4 shows a diffractogram of a single crystal of composition Y _{0.666 (6)} Sc _{1.333 (3)} SiO ₅ , and a diffractogram of crystals of known structure Y ₂ SiO ₅ , and Sc ₂ SiO ₅ .

Результаты наших исследований структуры кристаллов, выращенных методом Чохральского, доказывают, что синтезированные кристаллы реализуется в моноклинной сингонии с пространственной группой B2/b, Z=8 во всем диапазоне переменной х, Фиг. 4.The results of our studies of the structure of crystals grown by the Czochralski method prove that the synthesized crystals are realized in a monoclinic syngony with the space group B2 / b, Z = 8 over the entire range of the variable x, Fig. four.

Пример 3. На основе данных дифрактограмм вычислены объемы элементарной ячейки выращенных кристаллов и аналогов, представленные в Таблице 2. При изменении концентрации скандия от 0.6505 ф. ед. до 1 ф. ед. объем кристаллической ячейки уменьшается от 0.779 нм³ до 0.74976 нм³, Фиг. 2. На Фиг. 2 представлены зависимости объема элементарной ячейки кристалла, (Y_1-xSc_x)₂SiO₅, от концентрации скандия, построенные: график (1) - на основе теоретического расчета по правилу Вегарда, которое справедливо лишь в случае существования непрерывного ряда твердых растворов между двумя соединениям; по данным представленным в аналоге [References\Dong Li 'Phosphor Development - Synthesis, Characterization, and Chromatic Control, Abstract of Thesis of Ph.D., April (1999).pdf] (график (2)); график (3) - по данным представленным в прототипе [References\Jiao et. al., Influence of Rare Earth Sc and La to the Luminescent Properties of FED Blue Phosphor Y2SiO5_Ce.pdf]; график (4) - по нашим данным, на выращенных нами кристаллах с химической формулой (Y_1-xSc_x)₂SiO₅, где х равно 0; 0,375; 0.6(6); 0.85; 1 ф. ед.. Как показывают наши исследования, в отличие от данных прототипа, во всем диапазоне составов скандия больших 0.65 ф. ед. до 1 ф. ед., объем элементарной кристаллической ячейки линейно уменьшается от 0.779 нм³ до 0.74976 нм³. Таким образом, в диапазоне составов от Y_0.686Sc_1.314SiO₅ до Sc₂SiO₅ выполняется правило Вегарда, т.е. между этими двумя соединениями существует непрерывный ряд твердых растворов.Example 3. Based on the data of diffractograms, the volumes of the unit cell of grown crystals and analogues are calculated, presented in Table 2. When the concentration of scandium varies from 0.6505 f. units up to 1 p. units the volume of the crystal cell decreases from 0.779 nm ³ to 0.74976 nm ³ , FIG. 2. FIG. 2 shows the dependences of the unit cell volume of the crystal, (Y _1-x Sc _x ) ₂ SiO ₅ , on the concentration of scandium, constructed: graph (1) - based on a theoretical calculation according to Vegard's rule, which is valid only if there is a continuous series of solid solutions between two compounds; according to data presented in the analogue of [References \ Dong Li 'Phosphor Development - Synthesis, Characterization, and Chromatic Control, Abstract of Thesis of Ph.D., April (1999) .pdf] (Graph (2)); schedule (3) - according to the data presented in the prototype [References \ Jiao et. al., Influence of Rare Earth Properties for FED Blue Phosphor Y2SiO5_Ce.pdf]; graph (4) - according to our data, on crystals grown by us with the chemical formula (Y _1-x Sc _x ) ₂ SiO ₅ , where x is 0; 0.375; 0.6 (6); 0.85; 1 f. units .. As shown by our studies, in contrast to the data of the prototype, in the whole range of scandium compositions of large 0.65 lbs. units up to 1 p. unit, the volume of the elementary crystal cell decreases linearly from 0.779 nm ³ to 0.74976 nm ³ . Thus, in the range of compositions from Y _0.686 Sc _1.314 SiO ₅ to Sc ₂ SiO ₅ , the Vegard rule holds, i.e. between these two compounds there is a continuous series of solid solutions.

Пример 4. Зависимость однородности кристаллической структуры от содержания скандия выявлена в результате анализа дифрактограмм, снятых по описанной выше методике. Известно, что, чем меньше полуширина спектральных линий, тем более однородна кристаллическая структура, исследуемого вещества.Example 4. The dependence of the homogeneity of the crystal structure on the content of scandium was revealed as a result of the analysis of diffraction patterns taken by the method described above. It is known that the smaller the half-width of the spectral lines, the more homogeneous the crystal structure of the substance under study.

Рентгеноструктурные исследования однородности кристаллической структуры проведены на выращенных нами кристаллах, имеющих состав с химической формулой Y_0.699Sc_1.301SiO₅, Y_0.666(6)Sc_1.333(3)SiO₅, Y_0.64Sc_1.36SiO₅ и их аналогов Sc₂SiO₅ и Y₂SiO₅. Характеристики дифрактограмм и параметры неоднородного уширения кристаллов оксиортосиликатов Y, Sc и (Y₁Sc₂) стехиометрических составов, измеренные в диапазоне углов, 2θ равном 0.24°, для плоскостей с индексами h k l равными 2 4 0, соответственно, представлены в Таблице 1. Наименьшую ширину на полувысоте, равную 0.0467°, имеют образцы состава Y_0.666(6)Sc_1.333(3)SiO₅ с кристаллохимической формулой {Y₂Sc}_0.333(3)(Sc)[Si]O₅. На Фиг. 5 сравниваются спектры дифрактограмм в диапазоне углов 2тетта от 56.62° до 59.82°.X-ray structural studies of the homogeneity of the crystal structure were carried out on crystals grown by us, having the composition with the chemical formula Y _0.699 Sc _1.301 SiO ₅ , Y _{0.666 (6)} Sc _{1.333 (3)} SiO ₅ , Y _0.64 Sc _1.36 SiO ₅ and their analogues Sc ₂ SiO ₅ and Y ₂ SiO ₅ . The characteristics of the diffractograms and the parameters of the inhomogeneous broadening of the Y, Sc and (Y ₁ Sc ₂ ) hydroxy crystals of stoichiometric compositions, measured in the angular range, 2θ equal to 0.24 °, for the planes with indices hkl equal to 2 4 0, respectively, are presented in Table 1. The smallest width at half-height equal to 0.0467 °, have samples of composition Y _{0.666 (6)} Sc _{1.333 (3)} SiO ₅ with the crystal-chemical formula {Y ₂ Sc} _{0.333 (3)} (Sc) [Si] O ₅ . FIG. 5 compares the spectra of diffraction patterns in the range of 2tet angles from 56.62 ° to 59.82 °.

Из полученных данных следует, что наименьшую полуширину, т.е. наиболее упорядоченную кристаллографическую структуру, имеет кристалл состава Y_0.666(6)Sc_1.333(3)SiO₅, характеризуемый тождественной кристаллохимической формулой {Y₂Sc}_0.333(3)(Sc)[Si]O₅, (график 4, Фиг. 5). Наиболее разупорядоченные структуры, имеют кристаллы аналога с химической формулой Y₂SiO₅ (график 2) и выращенный нами кристалл с химической формулой Y_0.64 Sc_1.36SiO₅, (график 3).From the obtained data it follows that the smallest half-width, i.e. The most ordered crystallographic structure has a crystal of composition Y _{0.666 (6)} Sc _{1.333 (3)} SiO ₅ , characterized by the identical crystal-chemical formula {Y ₂ Sc} _{0.333 (3)} (Sc) [Si] O ₅ , (Graph 4, Fig. 5 ). The most disordered structures have analog crystals with the chemical formula Y ₂ SiO ₅ (plot 2) and a crystal grown by us with the chemical formula Y _0.64 Sc _1.36 SiO ₅ , (plot 3).

Пример 5. Выращивание моноизотопного кристалла иттрий скандиевого оксиортосиликата на основе изотопа кремния-28, дополнительно содержащего ионы изотопа неодима-145 с химической формулой ¹⁴⁵Nd_0.0001Y_0.6666Sc_1.3333 ²⁸SiO₅, в качестве среды для квантовой памяти. Выращивание кристалла оксиортосиликата моноклинной сингонии с пространственной группой B2/b (Z=8) осуществлялось по описанной в примере 1 общей схеме - посредством вытягивания из расплава любым методом, в частности методом Чохральского. Для выращивания кристалла использовали шихту с химическим составом ¹⁴⁵Nd_0.0001Y_0.6666Sc_1.3333 ²⁸SiO₅. Использовали следующий способ получения приготовления шихты: исходные реактивы оксид иттрия чистотой 99,995%, оксид скандия чистотой 99.995% и оксид изотопа кремния-28 чистотой 99.995% тщательно перемешивали, прессовали в таблетки и синтезировали в платиновом тигле в течении 10 час при 1473°К. Затем, посредством индукционного нагрева, таблетки расплавляли в иридиевом тигле, предварительно добавив в него изотоп оксида неодима-145 в количестве 0.0001 ф. ед., в герметичной ростовой камере в атмосфере аргона (100 объемных % Ar). Выращивание кристалла методом Чохральского осуществляли по описанной выше общей схеме. По аналогичной технологии выращиваются кристаллы составов, указанных в пунктах с 1 по 5 формулы изобретения.Example 5. Growing a monoisotope crystal of yttrium scandium hydroxyorthosilicate based on silicon-28 isotope, additionally containing neodymium-145 isotope ions with the chemical formula ¹⁴⁵ Nd _0.0001 Y _0.6666 Sc _1.3333 ²⁸ SiO ₅ , as a medium for quantum memory. The crystal growth of the oxyorthosilicate crystal of the monoclinic syngony with the B2 / b space group (Z = 8) was carried out as described in example 1 of the general scheme - by drawing out of the melt by any method, in particular by the Czochralski method. For crystal growth, a mixture with a chemical composition of ¹⁴⁵ Nd _0.0001 Y _0.6666 Sc _1.3333 ²⁸ SiO _{5 was used} . The following method was used to prepare the preparation of the mixture: the initial reagents were yttrium oxide with a purity of 99.995%, scandium oxide with a purity of 99.995% and silicon isotope oxide-28 with a purity of 99.995% were thoroughly mixed, pressed into tablets and synthesized in a platinum crucible for 10 hours at 1473 ° K. Then, by means of induction heating, the tablets were melted in an iridium crucible, after adding to it the isotope of neodymium-145 oxide in the amount of 0.0001 F. units, in a sealed growth chamber in an argon atmosphere (100 vol% Ar). Crystal growing by the Czochralski method was carried out according to the general scheme described above. Using a similar technology, crystals of the compositions specified in paragraphs 1 to 5 of the claims are grown.

Как показали наши исследования, температура расплава с химической формулой ¹⁴⁵Nd_0.0001Y_0.6666Sc_1.3333 ²⁸SiO₅ была примерно на 300° ниже, чем температуры плавления кристаллов аналогов Y₂SiO₅ и Sc₂SiO₅. Состав выращенного кристалла, измеренный методом электронно-зондового микроанализа, характеризуется химической формулой, ¹⁴⁵Nd_0.0001Y_0.6666Sc_1.3333 ²⁸SiO₅, т.е. при выращивании по методу Чохральского состав кристалла оказался равен составу расплава, проявляя свойства однокомпонентного состава, что характерно лишь для стехиометрических, конгруэнтно плавящихся веществ. Как показали наши рентгеноструктурные измерения, оксиортосиликат с химической формулой ¹⁴⁵Nd_0.0001Y_0.6666Sc_1.3333 ²⁸SiO₅ кристаллизуется в пространственной группе B2/b (Z=8) с параметрами решетки а = 1,456 нм, b = 1,051 нм, с = 0.679 нм, β = 122,4°, а его кристаллохимическая формула имеет вид {Y₂Sc₁}_0.333(3)(Sc)[Si]O₅, т.е. кристалл данного состава имеет лишь один центр для дополнительного оптически активного редкоземельного иона, RE, - это 7-ой кислородный полиэдр, и характеризуется простым стехиометрическим соотношением компонентов - Y / Sc равным 2 к 1 (в 7-ой кислородной координации). При записи в виде химической формулы стехиометрическое соотношение Y / Sc равно 1 / 2.As our studies have shown, the melt temperature with the chemical formula ¹⁴⁵ Nd _0.0001 Y _0.6666 Sc _1.3333 ²⁸ SiO ₅ was approximately 300 ° lower than the melting temperature of the crystals of analogs Y ₂ SiO ₅ and Sc ₂ SiO ₅ . The composition of the grown crystal, measured by electron probe microanalysis, is characterized by the chemical formula, ¹⁴⁵ Nd _0.0001 Y _0.6666 Sc _1.3333 ²⁸ SiO ₅ , i.e. when grown by the Czochralski method, the composition of the crystal turned out to be equal to the composition of the melt, showing the properties of a single-component composition, which is characteristic only of stoichiometric, congruently melting substances. As shown by our X-ray structural measurements, an hydroxyorthosilicate with the chemical formula ¹⁴⁵ Nd _0.0001 Y _0.6666 Sc _1.3333 ²⁸ SiO ₅ crystallizes in the B2 / b space group (Z = 8) with lattice parameters a = 1.456 nm, b = 1.051 nm, c = 0.679 nm, β = 122.4 °, and its crystal chemical formula has the form {Y ₂ Sc ₁ } _{0.333 (3)} (Sc) [Si] O ₅ , i.e. a crystal of this composition has only one center for an additional optically active rare earth ion, RE, is the 7th oxygen polyhedron, and is characterized by a simple stoichiometric ratio of components — Y / Sc equal to 2 to 1 (in the 7th oxygen coordination). When writing in the form of a chemical formula, the stoichiometric ratio Y / Sc is 1/2.

Отклонение физических свойств механической смеси Y₂SiO₅ и Sc₂SiO₅ от прямолинейной зависимости, доказанное нашими исследованиями, связано с химическим взаимодействием, и указывает на наличие химического соединения в сингулярной точке, имеющего своими компонентами Y₂SiO₅ и Sc₂SiO₅. Характерно, что сингулярная точка отвечает стехиометрическому отношению компонентов. По кристаллохимическим представлениям, сингулярной точке в области твердых растворов соответствуют составы с максимумом упорядоченности (однородность кристаллической структуры, свойственна для кристаллов простой химической формулы) [References\Аносов Основы физико-химического анализа, 'Наука' М. (1976).pdf]. Структурная формула защищаемого вещества, записанная в виде {Y₂Sc₁}_0.333(3)[Sc](Si)O₅, указывает, что соотношение атомом иттрия, Y, и скандия, Sc, находящихся в 7-ой координации равно 2, т.е. выполняются основные законы, согласно которым определяется наличие химического соединения - это закон постоянства состава и закон кратных отношений.The deviation of the physical properties of the mechanical mixture of Y ₂ SiO ₅ and Sc ₂ SiO ₅ from a straight line dependence, proved by our research, is due to chemical interaction, and indicates the presence of a chemical compound at a singular point, which has Y ₂ SiO ₅ and Sc ₂ SiO ₅ components. It is characteristic that the singular point corresponds to the stoichiometric ratio of the components. According to crystal chemical concepts, a composition with a maximum orderliness corresponds to a singular point in the region of solid solutions (the homogeneity of the crystal structure characteristic of simple chemical formula crystals) [References \ Anosov Physics and Chemical Analysis, 'Nauka' M. (1976) .pdf). The structural formula of the substance to be protected, written as {Y ₂ Sc ₁ } _{0.333 (3)} [Sc] (Si) O ₅ , indicates that the ratio of the atom to yttrium, Y, and scandium, Sc, in the 7th coordination is 2, those. the basic laws are fulfilled according to which the presence of a chemical compound is determined - this is the law of constancy of the composition and the law of multiple relations

Физические и химические свойства соединений отличаются от свойств смеси простых веществ - это один из главных критериев отличия соединения от смесей простых или сложных веществ, так как свойства смеси обычно тесным образом связаны со свойствами компонентов.The physical and chemical properties of compounds differ from the properties of a mixture of simple substances - this is one of the main criteria for distinguishing a compound from mixtures of simple or complex substances, since the properties of a mixture are usually closely related to the properties of components.

Claims

1. Substance for quantum electronics based on hydroxyorthosilicate containing yttrium Y and scandium Sc, characterized in that the substance is characterized by the chemical formula

(Y _1-x Sc _x ) ₂ SiO ₅ ,

where x varies from 0.6505 f. units up to 1 p. units, implemented in the monoclinic syngony with the B2 / b space group, Z = 8, whose sixth oxygen coordination is completely populated with scandium ions in the entire range of variable x, and the volume of the elementary crystalline cell decreases from 0.779 nm ³ to 0.74976 nm ³ with increasing scandium content .

2. The substance according to claim 1, characterized in that the crystal composition additionally contains a rare-earth ion, RE, which is in seven-dimensional oxygen coordination and is expressed by the chemical formula

Y _{2 (1-x) -y} Sc _2x RE _y SiO ₅ ,

where RE is at least one of the elements of the group Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb; where y will change from 1 × 10 ^-7 f. units to 0.02 p. units

3. Substance for quantum electronics based on hydroxyorthosilicate containing yttrium and scandium, characterized in that the crystal is characterized by the chemical formula

(Y _1-x Sc _x ) ₂ SiO ₅ ,

where x varies from 0.6505 f. units up to 0.68 lbs. units, realized in the monoclinic system, with the space group B2 / b, Z = 8, has a minimum melting point in the Y ₂ SiO ₅ - Sc ₂ SiO _{5 system} .

4. A substance for quantum electronics based on hydroxyorthosilicate containing yttrium Y and scandium Sc, characterized in that a crystal having a structure and composition characterized by a crystal-chemical formula with a simple stoichiometric ratio of components

{Y ₂ Sc ₁ } _{0.333 (3)} (Sc) [Si] O ₅ ,

realized in the monoclinic syngony, with the B2 / b space group, Z = 8, is a chemical compound and forms in the Y ₂ SiO ₅ - Sc ₂ SiO _{5 system an} ordered crystal structure having the unit cell parameters of the crystal a = 1.39235 nm, b = 0.65125 nm , c = 1.00900 nm, β = 121.70 °, volume 0.77844 nm ³ .

5. The substance according to claim 4, characterized in that the crystal composition additionally contains a rare-earth ion, RE, which is in seven-dimensional oxygen coordination, and is expressed by the chemical formula

Y _{0.666 (6) -y} Sc _{1.333 (3)} RE _y SiO _5,