Выбор редакции

Тематический выпуск «Физика сегнетоэластиков»

М. В. Таланов, В. Б. Широков, В. М. Таланов, М. С. Аулов, Мультипорядок и структурный механизм образования тетрагональной фазы LiRh₂O₄ // Известия РАН. Серия физическая. 2023. Том 87, № 9. C. 1222-1228.

Мультипорядок – это развиваемая авторами статьи концепция электронно-структурной организации вещества, учитывающая все типы взаимодействий в кристалле, допустимые его симметрией. В рамках этой концепции рассматривается взаимообусловленное сосуществование и конкуренция атомного, орбитального, магнитного и зарядового упорядочений. Концепция мультипорядка опирается, прежде всего, на современные мощные теоретико-групповые методы теории фазовых переходов Ландау, концепции одного критического представления и конденсата параметров порядка. В данной работе концепция мультипорядка проиллюстрирована на примере актуального примера – тетрагональной фазы LiRh₂O₄.

В родоните лития, имеющем структуру шпинели (пространственная группа Fd3m), происходят два структурных перехода в тетрагональную (пространственная группа I4₁/amd) и орторомбическую (пространственная группа С2₁22) фазы, индуцированные восьмимерным представлением k₁₁t₅(Г₃⁺) + k₁₀t₂(X₄). Теоретико-групповой анализ показал, что структурный механизм образования тетрагональной фазы LiRh₂O₄ состоит в смещениях атомов кислорода, наклонах октаэдров и упорядочении t_2g-орбиталей родия. Построенные базисные функции критического неприводимого представления, полученные на смещениях атомов кислорода и упорядочении d-орбиталей родия, позволили теоретически вывести атомную и орбитальную структуры тетрагональной фазы. Изучены кристаллохимические особенности тетрагональной структуры, показано, что зарядовое упорядочение ионов родия в ней отсутствует. Поскольку компоненты однородного тензора деформаций растяжения-сжатия преобразуются по представлению k₁₁t₅(Г₃⁺), то тетрагональная фаза LiRh₂O₄ является собственным сегнетоэластиком. Таким образом, мультипорядок и структурный механизм образования тетрагональной фазы родонита лития связаны со структурными и орбитальными степенями свободы, а именно: со смещениями атомов кислорода, наклонами октаэдров [RhO]₆ и упорядочиванием t_2g-орбиталей родия.

Работа выполнена коллаборацией сотрудников Лаборатории терагерцовой спектроскопии Московского физико-технического института (Долгопрудный), Южного научного центра (Ростов-на-Дону), Южно-Российского государственного политехнического университета (Новочеркасск).

Расщепление энергетических уровней переходного металла в октаэдрическом поле, создаваемом атомами кислорода, в кубической и тетрагональных фазах (для разных степеней тетрагональности (c/a); тетрагональная фаза LiRh₂O₄ характеризуется c/a>1) (a, b) и расчетная “нематичность” кооперативной ориентации искаженных октаэдров в тетрагональных фазах (c, d, e, f)

Тематический выпуск «Релаксационные явления в твердых телах»

О. В. Стогней, А. Н. Смирнов, А. В. Ситников, М. Н. Волочаев, Структура и электрические свойства многослойных наноструктур (Mg/ZrO₂)₅₂ // Известия РАН. Серия физическая. 2023. Том 87, № 9. C. 1348-1354.

Одной из проблем, препятствующих широкому распространению водорода в энергетике, является проблема его мобильного хранения и транспортировки. В настоящее время ведутся поиски материалов, способных удерживать большую весовую долю водорода и наводороживаться в сравнительно «мягких» условиях. Возможным вариантом решения этой проблемы является использование наноструктурированных материалов на основе магния в качестве адсорбционной среды. В этом случае на порядки возрастает площадь эффективной поверхности (а, следовательно, и адсорбционная способность материала), проявляется ряд эффектов, характерных для наноразмерных объектов, значительно возрастает химическая активность материала. Важной задачей, в данном случае, является обеспечение формирования наноструктурированного магния без окисления его поверхности.

Авторами получены многослойные наноструктуры (Mg/ZrO₂)₅₂ с различной толщиной бислоя (Mg + ZrO₂), исследованы закономерности их формирования и особенности электрических свойств этих структур. Показано, что в результате последовательного напыления чистого магния и чистого оксида циркония в среде аргона (8.2∙10^-4 Торр) формируется многослойная наноструктура (Mg/ZrO₂)₅₂ с не окисленными слоями магния наноразмерной толщины. Получены многослойные наноструктуры (Mg/ZrO₂)₅₂ (индекс 52 – число бислоёв) с различной толщиной магниевых слоев при постоянной толщине слоёв диоксида циркония. Толщина одного бислоя (Mg+ZrO₂) варьируется от 3.6 до 8.5 нм. Установлено, что при малых толщинах бислоя (находящихся в интервале значений 3.5 до 4 нм) слои магния являются не сплошными, а дискретными (состоят из металлических, не контактирующих друг с другом наногранул), что подтверждается электрическими свойствами многослойных наноструктур. При толщине бислоя, превышающей 5 нм, формируется наноструктура со сплошными слоями магния. Таким образом, с точки зрения электрических свойств многослойная наноструктура (Mg/ZrO₂)₅₂ при увеличении толщины слоёв магния ведёт себя как перколяционная система с изменением механизма электропереноса. В работе показана возможность получения не окисленных наночастиц магния и магниевых слоёв нанометровой толщины, распределенных между слоями оксида циркония, что очень важно для различных приложений.

Работа выполнена совместно сотрудниками Воронежского государственного технического университета и Института физики имени Л.В. Киренского Сибирского отделения Российской академии наук (Красноярск).

Зависимость удельного сопротивления многослойной наноструктуры (Mg/ZrO₂)₅₂ от толщины одного бислоя. На вставках показана схема структуры многослойных образцов (Mg/ZrO₂)₅₂: а – дискретные слои магния; б –порог перколяции, в – сплошные слои магния

Тематический выпуск «Фундаментальные вопросы и приложения физики атомного ядра»

С.Ю. Торилов, Н.А. Мальцев, В.И. Жеребчевский, Астрофизический S-фактор в модели прямоугольной потенциальной ямы // Известия РАН. Серия физическая. 2023. Том 87, № 8. C. 1210-1213.

Сегодня в физике ядерных реакций низких энергий наблюдается повышенный интерес к изучению механизмов образования и распада ядер легкой и средней группы масс. Это обусловлено научными интересами фундаментального характера и той значительной ролью, которую данные реакции играют в ядерной физике, астрофизике и промышленном получении радионуклидов. Так, одной из интереснейших проблем, возникающих в современной физике, является количественное описание процессов образования элементов во Вселенной, что тесно связано с актуальными задачами космологии. С этой точки зрения, особенно многообещающим является изучение реакций слияния ядер с энергиями вблизи кулоновского барьера. Именно эти процессы играют ключевую роль в эволюции звезд и определяют сценарии образования сверхновых.  С другой стороны, данные реакции позволяют изучать вопросы туннелирования многочастичных систем, что имеет большое значение для современной квантовой механики. Такие исследования требуют более детального анализа экспериментальных и теоретических данных, а порой и пересмотра имеющихся результатов.

Работа является продолжением исследований, которые коллектив авторов проводит в последние годы в области астрофизических ядерных реакций. В ней впервые был осуществлен систематический подход к описанию реакций в указанной области энергий и масс и выполнен анализ астрофизического S-фактора (меры интенсивности протекания реакций в ядерной астрофизике) на основе подхода, связанного с применением прямоугольной потенциальной ямы. Преимущество такой модели заключается в малом числе параметров, простоте расчетов и минимизации вычислительных ресурсов. На основе полученной систематики параметров было показано, что основной вклад в барьер на малых расстояниях вносит кулоновский потенциал, а вклад ядерного взаимодействия мал и почти постоянен во всем рассмотренном диапазоне. Таким образом, данный метод дает уникальную возможность сравнения интенсивности протекающих процессов в разных взаимодействующих системах, поскольку при использовании S-фактора мы получаем разброс значений почти на 40 порядков! Используя простой подход в рамках рассмотренной модели, разброс нормированного сечения получается в пределах одного порядка. Полученные в работе результаты проиллюстрированы на рисунке, где показаны экспериментальные величины S-факторов, нормированные на значения, полученные в рамках предложенного подхода. Как можно видеть, имеет место очень хорошее совпадение, что позволяет не только предсказывать значение сечения для малых энергий, но и лучше понять механизм протекающих реакций слияния. 

Работа выполнена сотрудниками Санкт-Петербургского государственного университета

Отношение экспериментального S-фактора к полученному в рамках рассмотренной модели, как функция энергии ядер, деленной на высоту кулоновского барьера (цвета соответствуют различным комбинациям ядер). Фиолетовая область отвечает разбросу теоретических предсказаний, а желтая — условиям, возникающим в звездах.

Тематический выпуск «Физика космических лучей»

Р. Д. Монхоев, И. И. Астапов, П. А. Безъязыков, Е. А. Бонвеч, А. Н. Бородин, Н. М. Буднев, А. В. Булан, А. Вайдянатан, Н. В. Волков, П. А. Волчугов, Д. М. Воронин, А. Р. Гафаров, А. Ю. Гармаш, В. М. Гребенюк, Е. О. Гресь, О. А. Гресь, Т. И. Гресь, А. А. Гринюк, О. Г. Гришин, А. Н. Дячок, Д. П. Журов, А. В. Загородников, А. Д. Иванова, А. Л. Иванова, М. А. Илюшин, Н. Н. Калмыков, В. В. Киндин, С. Н. Кирюхин, Р. П. Кокоулин, Н. И. Колосов, К. Г. Компаниец, Е. Е. Коростелева, В. А. Кожин, Е. А. Кравченко, А. П. Крюков, Л. А. Кузьмичев, А. Кьявасса, А. А. Лагутин, М. В. Лаврова, Ю. Е. Лемешев, Б. К. Лубсандоржиев, Н. Б. Лубсандоржиев, С. Д. Малахов, Р. Р. Миргазов, Э. А. Окунева, Э. А. Осипова, А. Л. Пахоруков, А. Пан, А. Д. Панов, Л. В. Паньков, А. А. Петрухин, Д. А. Подгрудков, Е. Г. Попова, Е. Б. Постников, В. В. Просин, В. С. Птускин, А. А. Пушнин, А. Ю. Разумов, Р. И. Райкин, Г. И. Рубцов, Е. В. Рябов, В. С. Самолига, И. Сатышев, А. А. Силаев, А. А. Силаев (мл.), А. Ю. Сидоренков, А. В. Скурихин, А. В. Соколов, Л. Г. Свeшникова, В. А. Таболенко, А. Б. Танаев, Б. А. Таращанский, М. Ю. Терновой, Л. Г. Ткачев, Н. А. Ушаков, Д. В. Чернов, И. И. Яшин, Основные результаты эксперимента TUNKA-GRANDE // Известия РАН. Серия физическая. 2023. Том 87, № 7. C. 954-961.

Сегодня под термином «космические лучи» (КЛ) понимается поток высокоэнергетических (вплоть до ⁓ 10²⁰ эВ) заряженных частиц внеземного происхождения, таких как протоны, α-частицы и более тяжелые ядра. В менее строгом смысле в данное определение также могут быть включены электроны, позитроны, гамма-кванты и нейтрино. Исследование КЛ представляет большой интерес с точки зрения понимания механизмов и природы их происхождения, что является одной из важнейших задач современной астрофизики. Регистрация космического излучения с энергией частиц выше 10¹⁵ эВ осуществляется при помощи единственно возможного метода, основанного на свойстве КЛ порождать каскады вторичных частиц в земной атмосфере — так называемые широкие атмосферные ливни (ШАЛ). В своей основе ШАЛ содержит электрон-фотонную, адронную, мюонную и нейтринную компоненты, а также является источником черенковского, ионизационного и радиочастотного излучений. Все эти составляющие, за исключением нейтрино, могут быть непосредственно зарегистрированы наземными установками, а их восстановленные характеристики — использованы для определения свойств первичных частиц. Изучение КЛ с энергией частиц до 10¹⁵ эВ возможно проводить как методом детектирования ШАЛ, так и при помощи прямых измерений с использованием высотных баллонов или искусственных спутников Земли.

Работа посвящена сцинтилляционной установке Tunka-Grande, входящей в состав астрофизического комплекса TAIGA (Tunka Advanced Instrument for cosmic rays and Gamma Astronomy). Задачей эксперимента является исследование космического излучения в диапазоне энергий 10¹⁶−10¹⁸ эВ методом регистрации электрон-фотонной и мюонной компонент ШАЛ. В статье описана структура установки, выполнена оценка ошибки реконструкции параметров ШАЛ и КЛ, представлены основные научные результаты за первые пять сезонов измерений в виде дифференциального энергетического спектра КЛ и ограничений на поток диффузного космического гамма-излучения в диапазоне энергий 10¹⁶−10¹⁸ эВ, а также обсуждены перспективы изучения КЛ. Авторами показано, что точность определения направления прихода оси ШАЛ и ее положения в плоскости установки не хуже 2.3° и 26 м соответственно, а энергетическое разрешение установки не превышает 36%. Восстановленный дифференциальный энергетический спектр КЛ демонстрирует сложную структуру со статистически обеспеченными особенностями при энергии ⁓ 2·10¹⁶ и 10¹⁷ эВ. Значение верхнего предела на поток диффузного гамма-излучения не противоречит аналогичным результатам других экспериментов. Полученные результаты находятся на мировом уровне и могут быть использованы для подтверждения, развития или исключения существующих астрофизических моделей.

Работа выполнена участниками коллаборации TAIGA.

Дифференциальный энергетический спектр КЛ (слева) и ограничения на интегральный поток диффузного гамма-излучения (справа) по экспериментальным данным установки Tunka-Grande в сравнении с аналогичными результатами других экспериментов.

Тематический выпуск «Умные композитные материалы»

К. Э. Магомедов, А. С. Омельянчик, С. А. Воронцов, Э. Чижмар, В. В. Родионова, Е. В. Левада, Магнитные наночастицы Fe₃O₄, модифицированные додецилсульфатом натрия, для удаления метиленового синего из воды // Известия РАН. Серия физическая. 2023. Том 87, № 6. C. 819-827.

Описан процесс получения и поверхностная-модификация магнитных наночастиц оксида железа. Частицы размером порядка 10 нм были получены методом соосаждения и обладали суперпарамагнитными свойствами.

Отмечается, что поверхностная модификация наночастиц с использованием анионного ПАВ додецилсульфата натрия увеличивает электростатическое притяжение к катиону метиленового синего, а также предотвращает агрегацию наночастиц. Это приводит к значительному увеличению сорбционной емкости магнитных наночастиц по сравнению с немодифицированными наночастицами оксида железа.

Возможные применения таких магнитных наночастиц включают удаление различных загрязнителей из водных растворов. Особое внимание уделяется магнитным свойствам наночастиц и удалению с их помощью катионного красителя метиленового синего. Сорбция метиленового синего на поверхности магнитных наночастиц следует кинетической модели псевдо-второго порядка, что указывает на химическую природу процесса. Описан процесс сорбции красителя на модифицированных наночастицах. Благодаря магнитным свойствам наночастиц, они могут быть извлечены из раствора вместе с красителем с помощью магнитного поля, что делает процесс очистки более эффективным и удобным.

Таким образом, магнитные наночастицы, модифицированные додецилсульфатом натрия, представляют собой перспективный материал для удаления загрязнителей из водных растворов. Способность магнитных наночастиц быть извлеченными с помощью магнита делает их особенно привлекательными для применения в различных процессах очистки воды. Работа выполнена коллаборацией сотрудников Балтийского федерального университета имени И. Канта (Калининград) и Дагестанского государственного университета (Махачкала).

3D модель схемы сорбции красителя — метиленового синего на магнитных наночастицах Fe₃O₄, модифицированных додецилсульфатом натрия

Тематический выпуск «Физика полупроводников»

А. В. Рожков, М. С. Иванов, П. Б. Родин, Самоподдержание проводящего состояния и биполярные ионизирующие домены Ганна в импульсных лавинных арсенид-галлиевых диодах // Известия РАН. Серия физическая. 2023. Том 87, № 6. C. 873-878.

Эффект Ганна – это неустойчивость однородного потока носителей в полупроводниках с отрицательной дифференциальной подвижностью электронов, приводящая к формированию дрейфующего «солитонообразного» домена сильного электрического поля. Монополярный эффект Ганна в арсениде галлия n-типа известен с 1960-х годов и имеет важные применения в СВЧ генерации. В отличие от классического монополярного, биполярный эффект Ганна связан с доменной неустойчивостью в неравновесной электронно-дырочной плазме. Интерес к биполярному эффекту Ганна сформировался в середине 2000-х годах в ходе исследований в смежной к СВЧ области – быстродействующей импульсной электронике.

Авторы провели экспериментальные исследования и численное моделирование мощных импульсных лавинных диодов на основе арсенида галлия. Экспериментально обнаружен эффект длительного самоподдержания высокопроводящего состояния обратно-смещенного диода (lock-оn эффект) после субнаносекундного ударно-ионизационного переключения. Эффект был объяснен спонтанным возникновением ионизирующих доменов Ганна в созданной при лавинном переключении диода электронно-дырочной плазме. Такие домены были впервые описаны С.Н. Вайнштейном и В.С. Юферевым при исследованиях сверхбыстрого включения арсенид-галлиевого лавинного транзистора. Свойства этих множественных ионизирующих доменов качественно отличаются как от «классических» монополярных доменов Ганна, так и от биполярных доменов, предсказанных в 1970-х годах в ранних теоретических работах Б.Л. Гельмонта и М.С. Шура. Пространственно-временная динамика биполярных детерминирована, но хаотична. Домены исчезают (коллапсируют) в непредсказуемый момент времени, что обусловило название «коллапсирующие домены». Коллапсирующие домены ответственны не только за процесс самоудержания GaAs диода в проводящем состоянии, но и за процесс его субнаносекундного переключения. Авторы дают краткий обзор арсенид-галлиевых приборов импульсной силовой электроники, в которых биполярные ионизирующие домены Ганна играют конструктивную роль, выступая в роли механизма генерации электронно-дырочной плазмы.

Работа выполнена сотрудниками Физико-технического института им. А.Ф. Иоффе РАН (Санкт-Петербург).

Результаты измерения и численного моделирования напряжения и тока через диод в режиме «залипания». На вставке: распределение электрического поля в базе прибора

Тематический выпуск «Синхротронное излучение и излучение лазеров на свободных электронах: генерация и применение»

А. Д. Федоренко, И. П. Асанов, Т. И. Асанова, Д. Б. Васильченко, А. Д. Николенко, П. А. Пиминов, К. Ю. Карюкина, Особенности XANES спектров вблизи Cl K-края в комплексах переходных металлов {MCl₆}^n- (M = Rh, Pd, Re, Os, Ir, Pt) // Известия РАН. Серия физическая. 2023. Том 87, № 5. C. 738-746.

В последнее время внимание исследователей все больше привлекают соединения 5d-переходных металлов, демонстрирующие экзотические магнитные свойства из-за наличия сильного спин-орбитального взаимодействия, энергия которого сравнима с кулоновской энергией и энергией стабилизации кристаллическим полем. Баланс этих взаимодействий приводит к разнообразию физических свойств, таких как наличие перехода металл–диэлектрик типа Мотта–Хаббарда, аномальный и спиновый эффекты Холла, эффект Рашбы, образование скирмионов и другие эффекты, связанные со взаимодействием Китаева.

Метод тонкой ближней структуры рентгеновской спектроскопии поглощения (XANES), позволяет изучить изменение электронной структуры и активно используется для изучения 4d- и 5d-переходных металлов. Для XANES спектров на краях атомов лиганда показано, что интенсивность предкраевых особенностей сильно зависит от степени гибридизации орбиталей лиганда и центрального металла. Стоит отметить, что L₃-края металлов не имеют такую разрешенную предкраевую структуру. Для исследования химической связи лиганд-меалл и влияния спин-орбитального взаимодействия на структуру спектров XANES Cl K-края выбран ряд изолированных октаэдрических комплексы {MCl₆}^n- (M = Rh, Pd, Re, Os, Ir, Pt), а также соединения осмия с реализуемыми обменными взаимодействиями.

Теоретический анализ XANES-спектров соединений Os с различными комбинациями лигандов и внешнесферных катионов показал, что электронная структура и магнитные свойства зависят от различных факторов, включая спин-орбитальное взаимодействие, величину кристаллического поля, энергию электронного спаривания и некубические искажения. Таким образом XANES-спектры Cl K-краев соединений переходных металлов оказались эффективными при изучении взаимодействия лигандов с центральным атомом металла.

Работа выполнена сотрудниками Института неорганической химии им. А.В. Николаева, Института ядерной физики им. Г.И. Будкера и Института катализа имени Г.К. Борескова Сибирского отделения Российской академии наук.

Спектры XANES Cl K-края соединений {MCl₆}^n- и структура молекулярных орбиталей t_2g и e_g, формирующих предкраевые особенности спектра

Тематический выпуск «Фундаментальные проблемы физики функциональных материалов»

Я.И. Шарифуллина, И.И. Гумарова, Р.Ф. Мамин, О.В. Недопекин, Исследование гетероструктур на основе оксида гафния // Известия РАН. Серия физическая. 2023. Том 87, № 4. C. 580-586.

Объемы хранимых и обрабатываемых данных постоянно увеличиваются, и для работы с таким количеством информации требуется все больше и больше компьютерной памяти, которая в свою очередь потребляет огромное количество энергии и занимает большие пространства. Решением этой проблемы может стать разработка и внедрение в массовое производство высокопроизводительных полупроводниковых устройств следующего поколения. Важной задачей для достижения поставленной цели является создание энергонезависимых, совместимых с КМОП-технологией устройств для хранения информации, которые должны обладать высокой скоростью работы, низким энергопотреблением, выносливостью и возможностями масштабирования. Одной из наиболее перспективных технологий считается концепция энергонезависимой памяти на основе сегнетоэлектриков.

Данная работа посвящена компьютерному моделированию электрических и структурных свойств тонких пленок на основе оксида гафния — перспективного материала, в тонких пленках которого недавно было обнаружено сегнетоэлектричество. Методы DFT (расчетный метод, основанный на теории функционала плотности) и DFT+U (DFT с учетом поправки для сильно-коррелированных электронов) были использованы для проведения сравнения между четырьмя кристаллическими фазами оксида гафния, подчеркивая все возможные различия на основе свойств фаз. Было получено, что тонкие пленки тетрагональной и кубической фазы являются проводниками. Моноклинная фаза оказалась диэлектриком, орторомбическая же – диэлектриком или полупроводником (в зависимости от толщины слоя/количества слоев). Оптимизированные гетероструктуры HfO₂/Si с тетрагональной фазой оксида гафния также обладают проводимостью, источником которой являются граничащие с кремнием атомы кислорода.

Работа выполнена сотрудниками Казанского физико-технического института имени Е.К. Завойского ФИЦ «Казанский научный центр РАН» и Казанского (Приволжского) федерального университета.

Гетероструктура HfO₂/Si. Синие шарики — атомы Hf, красные — O, желтые — Si. Внизу — спектр плотности состояний данной гетероструктуры, их которой следует, что она проводит электрический ток

Тематический выпуск «Фундаментальные проблемы и тенденции в магнетизме»

И.С. Терешина, Ю.А. Овченкова, Г.А. Политова, Н.Ю. Панкратов, Материалы на основе RCo₂ и RMnSi для твердотельного магнитного охлаждения // Известия РАН. Серия физическая. 2023. Том 87, № 3. C. 353-358.

Твердотельное магнитное охлаждение — это технология, основанная на магнитокалорическом эффекте (МКЭ), способная помочь снизить потребление энергии в мире, а также избежать использования экологически вредного хладагента – фреона. Современная медицина, биология, пищевая промышленность испытывают острую необходимость в удобных в эксплуатации, экономных, бесшумных, безопасных, безвибрационных, компактных холодильных установках для длительного хранения уникальных биоматериалов, вакцин, лекарственных и пищевых продуктов при строго определенной температуре, как правило, ниже комнатной. Данная работа направлена на изучение и разработку основ создания новых магнитных материалов, демонстрирующих высокие значения МКЭ в интервале температур 100 – 290 К и пригодных для использования в твердотельном магнитном охлаждении.

Авторами изучены и проанализированы магнитокалорические свойства двух систем: соединений типа RCo₂ со структурой фаз Лавеса, а также магнетиков с общей формулой R(Mn,T)Si (T = Fe, Co, Al) со слоистой структурой. Для изменения основных свойств соединений наряду с атомами замещения, были использованы атомы внедрения (атомы водорода). Составы содержат от двух до пяти компонент, при этом используется до трех различных редкоземельных элементов в одном составе. Установлены важные закономерности изменения температуры перехода из магнитоупорядоченного в неупорядоченное состояние (температуры Кюри), а также изменение величины МКЭ (магнитной части энтропии и/или адиабатического изменения температуры) исследованных образцов в зависимости от состава. Обнаружено, что величина МКЭ может быть значительной (до ΔT_aд/μ₀ΔH = 2 К/Тл) для соединений типа RCo₂ при температурах Кюри T_С < 200 K, а для соединений типа RMnSi (до ΔT_aд/μ₀ΔH = 1.2 К/Тл) при температурах Кюри T_С < 150 K. Введение атомов водорода в кристаллическую решетку таких соединений оказывает значительное влияние на температуру Кюри, приводя к её уменьшению. Найдено, что в многокомпонентных соединениях типа (R,R’,R’’)(Co,T)₂ можно наблюдать явление стабилизации величины МКЭ (другими словами, его неизменность при варьировании состава в определенной области концентраций и, как следствие, при изменении их температуры Кюри). Такие соединения являются наиболее привлекательными для практического использования.

Работа выполнена коллаборацией сотрудников Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова и Института металлургии и материаловедения имени А.А. Байкова Российской академии наук (Москва).

Изменение величины ΔT_aд/μ₀ΔH в зависимости от значения температуры Кюри T_C многокомпонентных систем. Результат – возможность стабилизировать величину МКЭ.

Тематический выпуск «Новые материалы и технологии для систем безопасности»

В. И. Кукушкин, О. В. Криставчук, Г. А. Жданов, А. К. Кешек, А. С. Гамбарян, Е. В. Андреев, А. Н. Нечаев, Е. Г. Завьялова, Аптасенсоры на основе трековых мембран с наноструктурированным слоем серебра для определения вирусов гриппа А и Б // Известия РАН. Серия физическая. 2023. Том 87, № 2. C. 201-207.

Проблема быстрого специфического определения возбудителей респираторных заболеваний особенно актуальна в связи с недавними пандемиями Covid-19 и гриппа. Заболевания могут проходить бессимптомно, что создает дополнительные риски распространения инфекции. Для специфичного определения вирусов могут быть использованы аптамеры на основе нуклеиновых кислот (далее – аптамеры). Аптамеры представляют собой олигонуклеотиды, обладающие уникальной пространственной структурой. Структура аптамера топологически комплементарна участку поверхности мишени, что позволяет специфически и высокоаффинно связывать различные мишени в биологических средах, например, вирусные частицы в мазках или смывах из носоглотки пациентов. По механизму действия аптамеры аналогичны антителам; однако, возможности химического синтеза, простота сборки и стабильность активной конформации дают им дополнительные преимущества в практическом применении.

В данной работе для определения ультранизких концентраций вирусов предложена комбинация специфического узнавания аналита аптамерами, концентрирования за счет мембранной фильтрации и гигантского комбинационного рассеяния (ГКР) света, усиливающего аналитический сигнал в миллионы раз. Проведена оптимизация ГКР-усиливающей поверхности, увеличивающая стабильность наноструктурированной поверхности в биологических жидкостях и фосфатных буферах. Предел обнаружения предложенного сенсора, определенный по интенсивности поверхностно-усиленной флуоресценции, составил 2·10⁴ вирусных частиц в 1 мл вируса гриппа А, что на 2-4 порядка ниже, чем пределы обнаружения тест-систем экспресс-анализа на основе антител. Полученные результаты открывают перспективы широкого использования оптических сенсоров для детектирования молекулярных мишеней.

Работа выполнена коллаборацией сотрудников Института физики твердого тела имени Ю.А. Осипьяна Российской академии наук (Черноголовка), Объединенного института ядерных исследований (Дубна), Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова (Москва) и Федерального научного центра исследований и разработки иммунобиологических препаратов имени М.П. Чумакова Российской академии наук (Институт полиомиелита, Москва)

Сканирующая электронная микроскопия образцов мембраны со слоем наноструктурированного серебра с допированием хромом (а) и зависимость флуоресцентного сигнала при 1180 см^–1 от концентрации вируса гриппа А подтипа H7N1 (б). * Помечен наблюдаемый предел обнаружения вируса гриппа А

Тематический выпуск «Волновые явления: физика и применения»

А.И. Кашапов, Е.А. Безус, Д.А. Быков, Л.Л. Досколович, Оптический дифференциатор второго порядка на основе композитной структуры металл-диэлектрик-металл // Известия РАН. Серия физическая. 2023. Том 87, № 1. C. 19-24.

В последние годы наблюдается большой интерес к разработке компактных структур фотоники для дифференцирования оптических сигналов и оптической реализации сложных дифференциальных операторов. Под дифференцированием оптических сигналов понимается вычисление производной по времени или пространственной координате от профиля падающего импульса или пучка. Преобразование оптического сигнала, происходящее при взаимодействии с дифракционной структурой, может быть описано как преобразование линейной системой, передаточная функция (ПФ) которой задается коэффициентом отражения или пропускания структуры, рассматриваемым как функция угловой и/или пространственной частоты. Значение ПФ идеального дифференциатора на центральной частоте равно нулю, в связи с чем необходимым условием для оптического дифференцирования является наличие нуля в спектре отражения или пропускания дифракционной структуры.

В настоящей работе впервые теоретически описано и численно продемонстрировано применение композитной слоистой структуры металл-диэлектрик-металл (МДМ-структуры) для реализации операции «пространственно-временного» дифференцирования второго порядка падающего оптического сигнала. Предлагаемая композитная структура состоит из двух трехслойных МДМ-структур, разделенных диэлектрическим слоем. Под «пространственно-временным» дифференцированием при этом понимается вычисление дифференциального оператора, равного линейной комбинации производных соответствующего порядка по времени и по пространственной координате. В работе теоретически показано, что в случае нормального падения оптического сигнала может быть рассчитана композитная МДМ-структура, имеющая нуль отражения второго порядка как по угловой, так и по пространственной частоте, что и позволяет реализовать операцию «пространственно-временного» дифференцирования второго порядка. На основе численного моделирования в рамках строгой электромагнитной теории дифракции показано, что указанная операция реализуется с высоким качеством (при среднеквадратичной ошибке менее 2%). Также показано, что композитная МДМ-структура позволяет формировать различные оптические импульсы в зависимости от поляризации падающего излучения. Полученные результаты могут найти применение при создании систем аналоговых оптических вычислений и оптической обработки информации.

Работа выполнена в лаборатории дифракционной оптики ИСОИ РАН — филиала ФНИЦ «Кристаллография и фотоника» Российской академии наук. Направление исследований: аналоговые оптические вычисления, нанофотоника, оптические свойства слоистых структур.

Геометрия композитной МДМ-структуры (слева) и численно (в центре) и аналитически (справа) рассчитанные модули огибающей отраженного пространственно-временного TM-поляризованного оптического импульса, иллюстрирующие «пространственно-временное» дифференцирование второго порядка.

Тематический выпуск «Нанооптика, фотоника и когерентная спектроскопия»

С.П. Котова, Н.Н. Лосевский, А.М. Майорова, Е.В. Разуева, С.А. Самагин, Структурированные оптотермические ловушки // Известия РАН. Серия физическая. 2022. Том 86, № 12. C. 1685-1689.

В области оптического манипулирования не ослабевает интерес к использованию вихревых световых полей со сложной структурой, которые позволяют существенно расширить функциональные возможности лазерных пинцетов. Актуальными остаются задачи формирования заданных конфигураций ансамблей частиц микронных и субмикронных размеров, в том числе биологического происхождения, реализации перестраиваемых перемещений ансамблей микрообъектов в пространстве за счет использования только оптических сил. Другой тенденцией в развитии методов манипулирования микро- и нанообъектами является использование так называемых оптотермических или конвекционных ловушек. В таких ловушках остросфокусированный лазерный пучок используется не только для создания оптической силы, но и градиента температуры, и соответственно, конвекционных потоков. Оптотермические ловушки позволяют захватить и перемещать объекты различной формы, размерами от нанометров до десятков микрометров, как прозрачные, так и поглощающие, причем с относительно больших расстояний. Как правило используются точечные конвекционные ловушки.

Авторы данной статьи впервые реализовали оптотермические ловушки сложных конфигураций, включая границы треугольника и квадрата, двойные контуры, решетки нулей. Кратко описаны особенности расчета и формирования рассматриваемых вихревых световых полей с помощью жидкокристаллического пространственного модулятора (ЖК ПМС). Демонстрируются результаты экспериментов по выстраиванию микрочастиц латекса в заданные конфигурации с возможностью их перестраивания за счет использования ЖК ПМС. Предложен простой эффективный метод фиксации микрообъектов в заданной конфигурации на дне кюветы за счет добавления в кювету с образцами альбумина и кратковременного увеличения мощности лазера. Характерные значения мощности 60–130 мВт в зависимости от концентрации альбумина. Метод может представлять интерес для фиксации объектов биологического происхождения.

Работа выполнена в лаборатории когерентной оптики Самарского филиала ФИАН. Направление исследований: вихревые световые поля, манипуляция микрообъектами.

Иллюстрация процесса захвата микрочастиц латекса диаметром 3 (первые два кадра) и 4 мкм с помощью оптотермических ловушек, сформированных вихревыми полями в виде одинарных и двойных контуров, решётки нулей. Результат фиксации прозрачных микрочастиц латекса размером 4 мкм (четвертый кадр).

Тематический выпуск «Кристаллофизика и деформационное поведение перспективных материалов»

Л.Ф. Мурадимова, А.М. Глезер, И.В. Щетинин, А.А. Томчук, Д.Л. Дьяконов, Н.С. Перов, Подавление равновесной γ-фазы при кручении под высоким квазигидростатическим давлением в камере Бриджмена ферромагнитного сплава Fe₅₀Co₂₅Ni₂₅ // Известия РАН. Серия физическая. 2022. Том 86, № 11. C. 1584-1588.

Посвящается памяти профессора А.М. Глезера.

Одним из наиболее эффективных способов управления свойствами материалов является воздействие на них большими пластическими деформациями. Ранее авторами были обнаружены эффекты влияния больших пластических деформаций на фазовые превращения и, как следствие, на механические и магнитные свойства металлических ферромагнитных материалов.

В данной работе эти исследования были продолжены, в частности, детально проанализировано влияние мегапластической деформации (МПД) при кручении под высоким давлением (КВД) на эволюцию структуры и магнитных и механических свойств сплава Fe₅₀Co₂₅Ni₂₅, состоящего из трех стабильных при комнатной температуре 3d-ферромагнитных металлов. По своему химическому составу этот сплав трехкомпонентной системы Fe₅₀(Co₅₀Ni_50-x) в равновесном состоянии находится на границе двух фаз (ОЦК-фаза при содержании Co > 25 ат. % и ГЦК- фаза при Ni > 25 ат. %), что привлекает к нему особый интерес в связи с воздействием МПД. «Пограничный» сплав Fe₅₀Co₂₅Ni₂₅ обладает высокими магнитными свойствами. Продемонстрировано влияние изменения характера структуры на магнитные и механические свойства сплава, однако не исследовано влияние возможных фазовых превращений, которые могут происходить под воздействием МПД. Выполнен рентгеноструктурный анализ, исследования методом просвечивающей электронной микроскопии, а также измерения микротвердости и коэрцитивной силы, исследованы особенности формирования структуры и свойств сплава Fe₅₀Co₂₅Ni₂₅ в зависимости от величины КВД. Показано изменение фазового состава сплава, γ-α превращения под действием деформации кручения. Проанализирован процесс исчезновения 0.5-фазы. Показано увеличение твердости и коэрцитивной силы, связанное с изменением внутренних напряжений в материале. Установлено влияние деформации на намагниченность насыщения. Показано, что в результате изменения фазового состава и параметра решетки в процессе деформации кручением, намагниченность насыщения значительно увеличивается. 

Работа выполнена в Национальном исследовательском технологическом университете “МИСиС” и Центральном научно-исследовательском институте черной металлургии имени И.П. Бардина в сотрудничестве с Московским государственным университетом им. М.В. Ломоносова.

Слева: дифракционная картина и темнопольный снимок γ-фазы при отсутствии КВД. Справа: изменение содержания γ-фазы в зависимости от величины КВД (количества поворотов камеры Бриджмена N)

Тематический выпуск «Достижения современной фотоники»

Е. Д. Фахрутдинова, Л. С. Егорова, В. А. Светличный, Лазерный синтез титаната висмута Bi₁₂TiO₂₀ для применения в фотокатализе // Известия РАН. Серия физическая. 2022. Том 86, № 10. C. 1411-1417.

Успех фотокаталитических технологий во многом определяется развитием методов создания эффективных, стабильных, дешевых и экологически безопасных фотокатализаторов. В настоящее время успешно развиваются высокоэнергетические лазерные методы получения различных функциональных материалов. Относительная простота, широкая вариативность, возможность получения нестабильных фаз и минимальное использование прекурсоров при лазерном синтезе позволяют получать уникальные по составу, структуре и морфологии катализаторы для различных приложений.

Одним из перспективных классов фотокатализаторов являются сложные висмут-содержащие оксиды и композиты на их основе. Полупроводниковых наноструктуры на основе соединения висмута (BMeO), где в качестве Mе выступают Ti, V, W и др. привлекают внимание для процессов фотокаталитической очистки воды и воздуха от токсичных органических соединений. К таким материалам относится титанат висмута со структурой силленита стехиометрического состава Bi₁₂TiO₂₀. Имеющиеся в его структуре полиэдры с неподелённой парой электронов Bi—O, служат донорами электронов и позволяют лучше разделять фотогенерированные носители заряда.

В данной статье рассмотрено влияние условий синтеза на структуру и морфологию титаната висмута со структурой Bi₁₂TiO₂₀. Использован оригинальный подход, сочетающий импульсную лазерную абляцию для получения индивидуальных коллоидов на основе висмута и дополнительная плазменная лазерная обработка смеси дисперсий для формирования интерфейса Bi—Ti—O. Варьирование концентрацией прекурсоров, насыщение реакционной смеси CO₂, дополнительная термическая обработка позволяют эффективно регулировать состав получаемых катализаторов от чистой фазы Bi₁₂TiO₂₀, до гетероструктуры II типа α-Bi₂O₃/Bi₁₂TiO₂₀ с различным соотношением фаз, тем самым влияя на их фотокаталитическую активность.

Работа выполнена в Лаборатории новых материалов и перспективных технологий Национального исследовательского Томского государственного университета. Направление исследований: лазерный синтез полупроводниковых наноструктур, гетероструктуры, гетерогенный фотокатализ.

СЭМ изображения поверхности Bi₁₂TiO₂₀, полученного при лазерном синтезе (а). Кинетические зависимости фоторазложения модельного красителя Родамина Б (б), рассчитанное положение энергетических зон α-Bi₂O₃ и Bi₁₂TiO₂₀, образующих гетероструктуру II типа (в).

Тематический выпуск «Электромагнитное поле и материалы (фундаментальные физические исследования)»

В. С. Шевцов, В. В. Амеличев, Д. В. Васильев, Ю. В. Казаков, С. И. Касаткин, Д. В. Костюк, О. П. Поляков, П. А. Поляков, Изменение магнитосопротивления спин-туннельного элемента при неоднородном перемагничивании с образованием доменов // Известия РАН. Серия физическая. 2022. Том 86, № 9. C. 1247-1250.

В настоящее время спинтроника является одной из наиболее активно развивающихся научных областей. В частности, на первый план выходят задачи, связанные с исследованием особенностей распределения микромагнитных структур в элементах спинтроники, а также вопросы их изменения под действием различных внешних факторов. Решение такой задачи осложняется в первую очередь тем, что описанные выше микромагнитные структуры могут быть самыми разнообразными в зависимости от параметров используемых пленок, в том числе включать в себя сложные структуры типа блоховских точек, доменов и так далее. В связи с этим создание эффективных моделей, которые могли бы корректно описывать перемагничивание таких пленок, является чрезвычайно важным для развития спинтроники.

Заметным прогрессом с точки зрения величины магниторезистивного эффекта явилось развитие структур с гигантским магниторезистивным (ГМР) эффектом, где величина эффекта в определенных конфигурациях может превышать 100 %. Это дает существенное преимущество перед элементами, основанными на анизотропном магниторезистивном (АМР) эффекте, где величина эффекта не превосходит 5 %. Для эффективного моделирования зависимости величины сопротивления спин-туннельного (СТМР) элемента спинтроники необходимо понимать, как именно происходит перемагничивание свободного слоя CoFeB данного элемента, структура которого схематично показана на рис. а. Данному моделированию и была посвящена статья.

Наиболее простым подходом при исследовании перемагничивания свободного слоя элемента является использование модели когерентного перемагничивания, то есть использование модели Стонера-Вольфарта. В этом случае считается, что в свободном слое практически отсутствуют сложные микромагнитные и доменные структуры. Однако численный расчет при использовании такого подхода дал результат (см. рис. б), который в целом соответствовал эксперименту, но наблюдались и заметные расхождения. Для объяснения таких расхождений было сделано предположение, что перемагничивание свободного слоя происходит с образованием доменов. Учет данного обстоятельства позволил получить лучшее соответствие экспериментальным результатам (см. рис. в). Работа выполнена в НПК «Технологический центр» совместно с кафедрой общей физики физического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова.

Эскиз спин-туннельного перехода (а). Зависимости изменения ГМР сопротивления R СТМР элемента от величины внешнего магнитного поля. Пунктирными линиями показаны экспериментальные зависимости, сплошными линиями – теоретические: в рамках модели Стонера–Вольфарта (б), в рамках модели некогерентного перемагничивания (в)

Тематический выпуск «Ядерная физика и физика элементарных частиц. Ядерно-физические технологии»

Л. В. Титова, С. Г. Кадменский, Спонтанное и вынужденное тройное и четверное деление как виртуальные процессы // Известия РАН. Серия физическая. 2022. Том 86, № 8. C. 1190-1195.

В физике элементарных частиц рассматриваются реакции, в которых в качестве промежуточных состояний появляются виртуальные состояния частиц, не лежащие на массовой поверхности данных реакций. Типичным примером такой реакции является реакция Комптоновского рассеяния фотонов на свободных электронах. Подобные процессы известны и в ядерной физике. К ним относятся двойной β и двухпротонный распады атомных ядер, теории которых основаны на виртуальных двухступенчатых механизмах, в которых на первой ступени возникают не лежащие на массовой поверхности указанных распадов виртуальные состояния промежуточных ядер, при распаде которых на второй ступени возникают реальные состояния конечных ядер. В связи с этим появляется необходимость введения в цепочки радиоактивных распадов в общем случае промежуточных ядер, находящихся не только в реальных, но и в виртуальных состояниях и описании их при использовании техники диаграмм Фейнмана. Развитие данной теории группой сотрудников кафедры ядерной физики Воронежского государственного университета позволило провести исследование характеристик тройного и четверного делений атомных ядер как многоступенчатых виртуальных процессов.

В данной статье получены формулы для расчета выходов легких частиц тройного и четверного деления ядер на основе представления о возникновении промежуточных ядер, формирующихся после испускания легких частиц, в виртуальных состояниях. Так, в тройном делении ядер часть энергии вылетающей длиннопробежной α-частицы берется за счет уменьшения теплоты деления промежуточного ядра (A – 4, Z – 2), что переводит промежуточное ядро в виртуальное состояние. На основе полученных формул произведена оценка выходов α-частиц в тройном спонтанном делении ядер ²⁴⁸Сm и ²⁵²Cf и в вынужденном делении ядер ²³⁴U и ²³⁶U тепловыми нейтронами, которая согласуется с экспериментальными значениями. Выходы α-частиц в четверном спонтанном делении ядер ²⁴⁸Сm и ²⁵²Cf и в вынужденном делении ядер ²³⁴U и ²³⁶U тепловыми нейтронами требуют более корректного расчета при учете различных вероятностей формирования первой и второй α-частиц в области шейки делящегося ядра и различий в факторах проницаемости кулоновского барьера для указанных частиц. Представляется интересным проведение расчетов выходов тройного и четверного низкоэнергетического деления ядер при использовании потенциала взаимодействия двух деформированных аксиально-симметричных предфрагментов деления, а также рассмотрение других легких частиц тройного и четверного деления, таких как тритоны, а также более тяжелых, чем α-частицы, ядер в тройном делении.

Работа выполнена на кафедре ядерной физики Воронежского государственного университета. Направление исследований: низкоэнергетическое тройное и четверное деление атомных ядер с вылетом легких заряженных частиц.

Схема вынужденного четверного деления ядра, сопровождающегося вылетом двух легких заряженных частиц (слева). Диаграмма Фейнмана вынужденного четверного деления ядра с последовательным вылетом двух α-частиц из шейки делящегося ядра и разделением промежуточного ядра, образовавшегося после их вылета, на фрагменты деления (справа).

Тематический выпуск «Люминесценция и лазерная физика»

А. О. Шилов, А. С. Вохминцев, А. М. А. Хинайш, И. А. Вайнштейн, Формирование края собственного поглощения в наноструктурированном порошке диоксида гафния // Известия РАН. Серия физическая. 2022. Том 86, № 7. C. 925-929.

Большой интерес к твердотельным матрицам на основе HfO₂ в настоящее время обусловлен его перспективами при производстве радиационно-стойких и оптически-активных покрытий, при изготовлении затворов КМОП-транзисторов и при создании элементной базы для наноэлектроники нового поколения. В силу высокой плотности и большой атомной массы наноструктурированный диоксид гафния используется также при разработке современных сцинтилляционных сред, в том числе легированных различными редкоземельными ионами. Для применений материала в перечисленных высокотехнологичных областях необходимо детальное понимание особенностей его электронного строения, а также закономерностей формирования его оптических и люминесцентных свойств. В настоящее время известно недостаточно экспериментальных работ, в которых были выполнены оценки оптических характеристик монокристаллов диоксида гафния в моноклинной модификации, которая является наиболее стабильной при нормальных условиях. Кроме того, исследование подобных объектов позволит учитывать вклад морфологических особенностей в эволюцию их электронно-оптических свойств.

В данной статье проанализированы особенности формирования края собственного поглощения в нанопорошке диоксида гафния (99.9%) с моноклинной структурой. Было установлено, что в области hν < 5.68 эВ доминируют непрямые разрешенные переходы, в интервале 5.68 эВ < hν < 5.76 эВ спектр оптического поглощения формируется и прямыми, и непрямыми переходами, а для hν > 5.76 эВ реализуются главным образом прямые разрешённые переходы. Рассчитанные значения ширины зоны 5.31 эВ (для непрямых переходов) и 5.61 эВ (для прямых переходов) вполне согласуются с независимыми литературными оценками для структур моноклинного диоксида гафния с различной морфологией.

Работа выполнена в Научно-образовательном центре «Наноматериалы и нанотехнологии» Уральского федерального университета. Направление исследований: люминесцентные, электрофизические и радиационно-оптические свойства широкозонных оксидных и нитридных материалов с наномасштабными морфологическими особенностями.

Исследуемый нанопорошок HfO₂ (слева). Спектр оптического поглощения (символы справа) аппроксимирован в предположении непрямых и прямых разрешённых переходов (синий пунктир). Область края собственного поглощения построена в координатах Тауца для непрямых и прямых оптических переходов (в центре).

Тематический выпуск «Когерентная, нелинейная и квантовая оптика»

С. Ю. Стремоухов, Эффекты квази-фазового согласования в газах при генерации терагерцевого излучения в двухчастотных лазерных полях // Известия РАН. Серия физическая. 2022. Том 86, № 6. C. 770-774.

Терагерцевое (ТГц) излучение является очень привлекательным с точки зрения развития методик исследования объектов с его использованием, поскольку именно в этой области спектра все высокомолекулярные соединения, в частности белки, из которых состоят наши тела, имеют уникальные линии поглощения. Кроме того, ТГц излучение в силу того, что оно не является ионизирующим, востребовано в биомедицинских приложениях. Это стимулирует развитие как методов детектирования, так и методов генерации излучения в ТГц области частот. Среди разнообразия разработанных на сегодняшний день способов создания такого излучения выделяются нелинейно-оптические методы генерации ТГц излучения. Главными преимуществами источников на основе нелинейно-оптических методов является их компактность, а также возможность управления свойствами генерируемого излучения в широких пределах.

В настоящее время одним из актуальных направлений исследований в данной области является повышение эффективности генерации ТГц излучения. Настоящая работа посвящена описанию одного из методов управления параметрами генерируемого ТГц излучения (эффективностью, частотно-угловым спектром). Он основан на эффекте квази-фазового согласования, который хорошо зарекомендовал себя для управления эффективностью генерации ТГц излучения в кристаллах, а также активно применяется для повышения эффективности генерации гармоник высокого порядка (ГГВП) в газовых и плазменных средах. Благодаря единой природе эффектов ГГВП и ТГц излучения, идея распространения данного метода на случай генерации ТГц излучения в газовых средах, взаимодействующих с многочастотными лазерными полями, была впервые успешно реализована в данной работе. Представлены частотно-угловые спектры ТГц излучения, рассчитанные для набора аргоновых газовых струй, разделенных вакуумными промежутками, взаимодействующих с двухчастотным лазерным полем, образованным первой и второй гармониками титан-сапфирового лазера. Результаты расчетов показали, что ширина газовых струй является эффективным управляющим параметром, позволяющим существенно модифицировать частотно-угловой спектр генерируемого ТГц излучения.

Расчеты выполнены в рамках уникального непертурбативного теоретического подхода, позволяющего рассчитать спектры генерируемого одиночными атомами излучения, а также интерференционной модели, которая позволяет, используя параметры генерируемого одиночными атомами излучения, рассчитать характеристики отклика среды. Используемый метод расчета свободен от феноменологических параметров, описывающих нелинейности среды.

Пространственное распределение излучение на частоте 11 ТГц, генерируемое 20 газовыми струями шириной 1 см каждая (а) и 5 газовыми струями шириной 4 см каждая (б)

Тематический выпуск «Нанотехнологии для науки и производства»

В.В. Топоровский, А.В. Кудряшов, А.А. Скворцов, В.В. Самаркин, Ю.В. Шелдакова, А.Л. Рукосуев, Нанотехнологические методы в задачах создания современных пьезоэлектрических корректоров волнового фронта // Известия РАН. Серия физическая. 2022. Том 86, № 6. C. 873-878.

В связи с развитием современной лазерной оптики растет спектр задач, где необходимо корректировать искаженный волновой фронт и оптимизировать распределение излучения в фокусе линзы. Для подобного рода целей используются адаптивные оптические системы, основным исполнительным элементом которых являются корректоры волнового фронта (деформируемые зеркала). На сегодня существуют очень надежные деформируемые зеркала с размерами от 30 до 400 мм, которые показали высокую эффективность их использования в мощных лазерах для коррекции аберраций волнового фронта и повышения качества фокусировки излучения. В этой области наиболее распространены биморфные деформируемые зеркала. Преимуществом биморфных корректоров является возможность с высокой точностью воспроизводить крупномасштабные аберрации волнового фронта при помощи небольшого количества управляющих электродов. Тем не менее, в ряде научных и технологических задач по передаче мощного лазерного излучения через турбулентную атмосферу возникает необходимость использования корректоров с апертурой менее 30 мм и высокой плотностью управляющих элементов для компенсации быстроменяющихся мелкомасштабных флуктуаций фазы.

Для создания малоапертурных биморфных зеркал могут быть использованы нанотехнологические методы такие как: лазерная абляция для нанесения сетки управляющих электродов на поверхность пьезокерамического диска и микросварка для создания надежного электрического контакта между медным проводом и серебряным покрытием пьезодиска. Основными методами сварки являются термокомпрессионная, ультразвуковая и сварка расщепленным электродом. Применение термокомпрессионной сварки для задач создания пьезоэлектрических корректоров волнового фронта невозможно ввиду возникновения высоких локальных температур (до 650 °С), что может привести к деполяризации пьезодиска и выходу из строя деформируемого зеркала. Критерием использования ультразвуковой и контактной микросварки расщепленным электродом является параметр усилия на отрыв. В случае применения ультразвука величина усилия на отрыв меньше в сравнении с методом сварки расщепленным электродом (0.2—0.25 Н против 0.45—0.5 Н).

Биморфное деформируемое зеркало с высоким пространственным разрешением управляющих элементов: а) конструкция биморфного зеркала в оправе, б) схема установки лазерной абляции, в) схема контактной микросварки расщепленным электродом.

Тематический выпуск «Взаимодействие ионов с поверхностью»

О. С. Трушин, А. А. Попов, А. Н. Пестова, Л. А. Мазалецкий, А. А. Акулов, А. А. Ломов, Наноструктурирование при наклонном напылении кобальта // Известия РАН. Серия физическая. 2022. Том 86, № 5. C. 650–654.

Магнитные пленки, у которых ось магнитной анизотропии направлена под углом к поверхности, представляют значительный интерес для совершенствования технологии записи информации на жесткий диск. Однако, тонкие пленки, получаемые стандартными методами напыления в вакууме, имеют ось легкого намагничения, ориентированную в плоскости пленки. Для того, чтобы получить компоненту намагниченности перпендикулярную пленке необходимо существенным образом изменить ее структуру. Перспективным методом формирования пленок с особыми свойствами является их наноструктурирование в процессе роста. Одним из известных технологических приемов, позволяющих обеспечить рост наноструктур, является напыление под углом. Данный метод получения пленок привлек к себе в последние годы значительный интерес. Установлено, что причиной наноструктурирования пленок в условиях наклонного напыления является эффект затенения. Целью настоящей работы было нахождение оптимальных условий наноструктурирования пленок Co на кремниевой подложке в условиях наклонного напыления и формирования массивов наноколонн с высоким аспектным отношением. Такие наноколонны должны обеспечить необходимые свойства магнитной анизотропии пленки и ориентацию легкой оси под углом к подложке.

В настоящей работе эксперименты по напылению пленок кобальта на наклонную подложку проводили на установке электронно-лучевого испарения Оратория-9. В результате проведенных экспериментов, установлено, что при больших углах наклона подложки (более 70°) происходит наноструктурирование пленки кобальта. Оптимальные условия наноструктрирования достигаются при угле наклона подложки 85°. В этих условиях формируется наклонная волокнистая структура с поперечными размерами волокон до 30 нм. При этом легкая ось ориентируется вдоль оси нановолокон, обеспечивая, тем самым, наклон вектора намагничивания к поверхности пленки. Данная морфология может быть перспективной для применения в качестве среды высокоплотной магнитной записи информации.

Работа была выполнена на оборудовании центра коллективного пользования научным оборудованием “Диагностика микро- и наноструктур” в ФТИАН им. К.А. Валиева РАН.

Схема эксперимента для напыления пленок под углом(слева). Изображения поперечного среза пленки Co напыленной под углом 85° и вид сверху на ее поверхность, полученные методом сканирующей электронной микроскопии (Supra 40).

Тематический выпуск «Новое в магнетизме и магнитных материалах»

А. В. Курилова, А. Э. Соколов, А. Л. Сухачев, О. С. Иванова, К. В. Богданов, М. А. Баранов, А. Ю. Дубовик, Cинтез, магнитные и магнитооптические свойства антиферромагнитных нанодисков α-Fe₂O₃–rGO // Известия РАН. Серия физическая. 2022. Том 86, № 5. C. 726–729.

Двумерные углеродные структуры проявляют множество уникальных свойств, которые не имеют чёткого обоснования в рамках существующих теорий. В начале 2000-х гг. появились работы показывающие, что графен может обладать еще и магнитными свойствами. Экспериментальные данные показывают, что   однослойные плёнки графена могут проявлять слабый ферромагнетизм при комнатных температурах. При этом, досконально неизвестно по какому механизму осуществляется перемагничивание: за счет дефектов в углеродных кольцах поверхностных групп или сложных химических процессов, происходящих по всей поверхности структуры.

Одним из вариантов усиления или наведения магнитных свойств является комбинирование графена/графеноподобных структур с другими материалами, обладающими разным типом магнитного упорядочения. В частности, особый интерес вызывают так-называемые структуры типа “ядро–оболочка”.

Настоящая работа посвящена комплексному исследованию оптических и магнитооптических свойств наноструктур α-Fe₂O₃/rGO синтезированных из коммерческого восстановленного оксида графена (Sigma Aldrich), соединенного с нанодисками гематита α-Fe₂O₃ двумя различными способами. Образец 1 образует структуру “ядро–оболочка”, где в качестве “ядра” участвует около сотни наночастиц гематита, окружены слоями графена, в то время как, в образце 2 частицы гематита равномерно перемешаны со слоями графена.

Исходя из того, что полученные образцы, довольно прозрачны в видимой части спектра, для исследования взаимодействия между ядром и оболочкой использовался метод спектроскопии магнитного кругового дихроизма (МКД).

Работа выполнена в “Национальном исследовательском университете ИТМО” (Санкт-Петербург) совместно с Институтом физики имени Л.В. Киренского СО РАН – обособленным подразделением ФИЦ КНЦ СО РАН (Красноярск).

Графическая схема получения наноструктур α-Fe2O3/rGO и спектры МКД для исходных наночастиц гематита и образцов 1 и 2 при комнатной температуре и поле 1.5 Тл.

Тематический выпуск «Новые материалы и технологии для систем безопасности»

Г. А. Жданов, Д. А. Грибанев, А. С. Гамбарян, В. И. Кукушкин, Е. Г. Завьялова, Определение вирусов гриппа в биологических жидкостях с помощью биосенсора на основе гигантского комбинационного рассеяния света // Известия РАН. Серия физическая. 2022. Том 86, № 4. C. 527–531.

Проблема быстрого специфического определения возбудителей респираторных заболеваний особенно актуальна в связи с пандемией Covid-19, вызванной коронавирусом SARS-CoV-2. Заболевание может проходить бессимптомно, что создает дополнительные риски распространения инфекции. Для специфичного определения вирусов могут быть использованы аптамеры на основе нуклеиновых кислот. Аптамеры представляют собой олигонуклеотиды длиной в несколько десятков нуклеотидов с уникальной пространственной структурой. Структура аптамера топологически комплементарна участку поверхности мишени, что позволяет специфически и высокоаффинно (с константами диссоциации порядка 10^-9 M) связывать всевозможные мишени в различных средах, например, вирусные частицы в биологических жидкостях. По своему действию аптамеры аналогичны антителам, но низкая стоимость их химического синтеза, простота сборки активной структуры и низкая иммуногенность дают им дополнительные преимущества в практическом применении. Высокая чувствительность метода гигантского комбинационного рассеяния света, простота синтеза серебряных коллоидных наночастиц и портативность рамановских спектрометров открывают перспективы широкого использования оптических сенсоров для детекции молекулярных мишеней.

В данной работе показано, что сочетание аптамеров, коллоидных наночастиц и спектроскопии гигантского комбинационного рассеяния света позволяет определять вирусы гриппа А в образцах плазмы крови и смыва из носа с чувствительностью, сопоставимой с чувствительностью экспресс-тестов на основе антител. Возможно количественное определение титра вируса по изменению интенсивности рамановского рассеяния и изменению цвета раствора коллоидных частиц.

Работа выполнена сотрудниками и студентами кафедры химии природных соединений химического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова, Института физики твердого тела РАН, Федерального научного центра исследований и разработки иммунобиологических препаратов им. М.П. Чумакова РАН, работающими в области исследования вируса гриппа, химии аптамерных нуклеиновых кислот, спектроскопии гигантского комбинационного рассеяния света и наноплазмоники.

Концентрационные зависимости интенсивности сигнала рамановского рассеяния (а) и цвета (б) образцов плазмы крови с разными титрами вируса гриппа А: в 0.1 % плазме крови человека (квадраты) в сравнении с вирусом в буфере (круги) и вирусом гриппа В в 0.1% плазме крови (звезды). Сигнал гигантского комбинационного рассеяния света получен от аптамера, меченого красителем BDP FL.

Тематический выпуск «Физика авроральных явлений»

Ю. В. Балабин, А. В. Германенко, Е. А. Михалко, Е. А. Маурчев, Влияние солнечной активности на характеристики событий возрастания фонового гамма-излучения // Известия РАН. Серия физическая. 2022. Том 86, № 3. C. 365-369.

Измерения дифференциального спектра рентгеновского и гамма-излучения проводятся в основном для контроля содержания радионуклидов в окружающей среде. Идентификация осуществляется по линиям излучения, характерным для каждого радионуклида. Из атмосферы на поверхность земли также поступает гамма-излучение, возникающее при взаимодействии космических лучей с ядрами атомов воздуха. Это излучение имеет непрерывный спектр без каких-либо линий и является фоновым излучением. В ходе мониторинга вторичных космических лучей мы обнаружили новое явление: возрастание фонового гамма-излучения при осадках (см. рис. а).

Обнаружено, что возрастания наблюдаются в течение всего года при любых осадках (снег, дождь, густой туман). Амплитуда возрастания в среднем составляет 30%, а в отдельных случаях может достигать 100%. Размещение гамма-детектора на судне во время морской экспедиции показало, что возрастания при осадках происходят и в море. Совместно с радиологической лабораторией было установлено, что в дождевой воде радионуклиды в значимых концентрациях не присутствуют. Параллельные измерения на других детекторах показали, что возрастания происходят только в гамма-излучении, не проявляясь в заряженной компоненте (см. рис. а). Это самая интригующая особенность явления. Непрерывный спектр излучения указывает на то, что его источником является тормозное излучение при движении энергичных заряженных частиц в атмосфере. Многолетние наблюдения показали, что максимум возрастания наступает примерно спустя полчаса от максимальной интенсивности осадков.

В данной работе исследовано влияние солнечной активности на возрастание фонового гамма-излучения во время осадков. Известно, что космические лучи модулируются солнечной активностью с периодом 11 лет. Если возрастания связаны с космическими лучами, следует ожидать какого-то проявления солнечной активности в силе или частоте возрастаний. Проанализирован ряд данных за 2010–2021 гг., а также влияние солнечной активности, и обнаружено, что с ростом активности Солнца происходит снижение частоты и амплитуды возрастаний (см. рис. б).

Исследование данного явления является важным; гамма-излучение ионизирует воздух, что приводит к увеличению числа центров конденсации паров воды, т.е. приводит к образованию облачности. Явление носит глобальный характер, а значит, оказывает влияние на климат.

Пример недавнего события 26.05.2022 (а). Полная энергия гамма-излучения, выделившаяся во время возрастаний. Минимум солнечной активности в 2010 и 2020 гг., максимум в 2013–2016 гг. Явно заметны сезонные вариации (б).

Тематический выпуск «Физика конденсированного состояния вещества»

Е. В. Дроворуб, В. В. Прудников, П. В. Прудников, Моделирование поведения и магнитных свойств спин-вентильных наноструктур // Известия РАН. Серия физическая. 2022. Том 86, № 2. C. 158-164.

Тенденцией современных исследований в области магнетизма стало смещение фундаментальных интересов от изучения свойств объемных образцов к изучению наноразмерных структур из ультратонких магнитных пленок. В низкоразмерных системах возрастает роль поверхностных эффектов, а также процессов, происходящих на границе раздела фаз, которые определяют уникальные свойства наноразмерных устройств, такие как гигантское магнитное сопротивление (ГМС) и туннельное магнитосопротивление (ТМС). Данные структуры нашли широчайшее применение в сенсорах магнитного поля, считывающих головках жестких дисков и энергонезависимой магниторезистивной памяти.

Заметным прогрессом в совершенствовании структур с ГМС явилось создание спин-вентильных систем, состоящих из магнитных слоев, разделенных немагнитной металлической прослойкой. При этом направление намагниченности одного из ферромагнитных слоев в структуре закрепляется взаимодействием с введенным слоем антиферромагнетика. Преимуществом спин-вентильных структур являются низкие поля насыщения (5–50 Э), что делает их техническое использование наиболее выгодным. В настоящее время разработаны различные виды сложных спин-вентильных структур, которые характеризуются наличием дополнительной трехслойной антиферромагнитной системы, усиливающей действие слоя антиферромагнетика на свободно перемагничивающийся слой ферромагнетика.

В данной статье выполнено моделирование магнитных свойств такой усложненной спин-вентильной структуры с применением анизотропной модели Гейзенберга, позволяющей реализовать ориентацию намагниченности как в плоскости пленок, так и перпендикулярной плоскости пленок. Получена зависимость магнитных характеристик пленок в структурах от температуры и внешнего магнитного поля. Исследовано влияние на проявление гистерезисных эффектов магнитной анизотропии, толщины магнитных пленок, температуры и величины внутрислоевого и межслоевого обменного взаимодействия. Выделены факторы, позволяющие влиять на условия лучшего проявления в структурах эффектов гигантского магнитосопротивления со стабильными свойствами. Полученные зависимости магнитных характеристик хорошо согласуются с результатами экспериментальных исследований спин-вентильных структур.

Работа выполнена на кафедре теоретической физики Омского государственного университета им. Ф.М. Достоевского. Направление исследований: фазовые переходы, критические явления и моделирование свойств магнитных наноструктур.

Модель структуры усложненного спинового вентиля (слева). Гистерезис в структуре с толщинами пленок N₁=N₂=N₃=5 МС при температуре T=1.0 J₁/k_B: с намагниченностью, перпендикулярной плоскости пленок, для отдельных пленок (а) и структуры в целом (б). Штриховыми линиями представлены расчеты при уменьшенном значении величины внутрислоевого обменного взаимодействия во второй пленке с J₀₂ = 0.5.

Тематический выпуск «Волновые явления: физика и применения»

А. И. Корольков, К. С. Князева, А. С. Шуруп, Акустическая локация на основе метода тройной корреляции // Известия РАН. Серия физическая. 2022. Том 86, № 1. C. 105-109.

Акустическая локация окружающей среды находит широкое применение в различных сферах деятельности человека, а для некоторых представителей окружающего мира и вовсе незаменима. Например, летучие мыши используют акустические волны для безопасного перемещения в условиях плохой видимости, для обнаружения различных удаленных объектов. Наиболее простым в плане инженерной реализации является метод эхолокации, в рамках которого окружающая среда облучается импульсами специальной формы, после чего принятый сигнал, отраженный от неподвижного или движущегося препятствия, регистрируется приемной системой. Стандартная (двойная) корреляция излученного и принятого сигналов позволяет судить о наличии препятствия, а также оценивать различные характеристики объекта, от которого отразился сигнал, такие как, например, дальности до него, или его скорость. В настоящей работе впервые продемонстрирована возможность применения в задачах акустической локации тройной корреляции, которая может улучшить помехоустойчивость оценок, например, при многолучевом распространении сигнала, что полезно при наличии маскирующих рассеивателей, а также в задачах оценки траектории движущегося рассеивателя.

Использование тройной корреляции или ее частотного аналога «биспектра» давно зарекомендовало себя при анализе сигналов в оптике, космологии, океанологии. Однако в задачах акустической локации этот подход ранее широко не применялся. Одна из причин связана с тем, что для этих целей нужно было придумать специальный сигнал, тройная автокорреляционная функция которого близка к дельта-функции. В качестве возможного решения этой проблемы в работе предложено использовать случайную последовательность чисел, соответствующих в комплексном представлении значениям кубического корня из единицы. Тройная корреляционная функция такого сигнала как раз и близка к дельта-функции. Имеющийся положительный опыт использования тройной корреляции в различных разделах физики в совокупности с представленными в работе результатами численных и натурных экспериментов открывает широкие перспективы рассматриваемого подхода в задачах акустической локации.

Работа выполнена сотрудниками и аспирантами кафедры акустики физического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова, Института океанологии им. П.П. Ширшова РАН, Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН, работающими в области акустики природных сред в направлении развития многомерных методов обработки сигналов и полей.

Тематический выпуск «Нанооптика фотоника и когерентная спектроскопия»

Е. П. Кожина, А. И. Аржанов, К. Р. Каримуллин, С. А. Бедин, С. Н. Андреев, А. В. Наумов, Контроль распределения раствора на развитой метаповерхности методами эпи-люминесцентной микроскопии // Известия РАН. Серия физическая. 2021. Том 85, № 12. C. 1746-1753.

Синтез и исследование новых метаматериалов является актуальной задачей науки и технологий. Различные формы поверхностей, их структурные особенности, оптические и спектральные свойства делают такие материалы уникальными в своем классе. Среди таких материалов особо выделяют метаповерхности для SERS спектроскопии, широко используемые в задачах медицины и сверхчувствительной сенсорики. На сегодняшний день существуют различные методы синтеза SERS активных метаповерхностей: от простых коллоидных растворов до наноструктур с управляемой геометрией. Одним из них является метод шаблонного синтеза на основе полимерных трековых мембран. Он позволяет изготавливать метаповерхности с нанопроволоками с управляемой геометрией, а также дендритными наноструктурами. Благодаря тому, что поверхность таких метаповерхностей является достаточно развитой и гидрофильной, наносимое вещество может растекаться на большой площади поверхности. Это становиться проблемой при оценке усиливающей способности метаповерхностей, когда нужно точно знать, от какого количества вещества получают спектры усиленного комбинационного рассеяния света.

В работе были исследованы SERS подложки с дендритными наноструктурами, изготовленными методом шаблонного синтеза. Варьируя параметры синтеза, получали поверхности с наноструктурами разного размера. За счёт этого можно было управлять параметрами смачиваемости подложек. Для оценки этих свойств в зависимости от параметров синтеза был использован оптический (люминесцентный) метод диагностики. Суть метода заключается в наблюдении люминесцентных изображений образцов при растекании раствора полупроводниковых квантовых точек (раствор КТ CdSe/CdS/ZnS в толуоле) по поверхности подложек. После высыхания растворителя, при освещении подложки с люминесцирующими квантовыми точками соответствующим лазерным излучением, можно наблюдать область растекания в схеме конфокального эпи-люминесцентного микроскопа, оценивать площадь смачивания и исследовать структурные особенности поверхности исследуемых образцов.

Исследование выполнено коллективом, входящим в Межинститутскую научную группу по лазерной селективной спектроскопии и наноскопии. Работы по шаблонному электрохимическому синтезу наноструктурированных метатаповерхностей и исследованию их оптических свойств выполняются в Московском педагогическом государственном университете в сотрудничестве с ФНИЦ “Кристаллография и фотоника” РАН. Численное моделирование локальных полей вблизи наноструктур выполнено в сотрудничестве с Московским политехническим университетом. Экспериментальные исследования метаповерхностей методом люминесцентной микроскопии выполнены в лаборатории электронных спектров молекул Института спектроскопии РАН. Техника SERS-спектроскопии и сенсорики развивается в рамках темы государственного задания Физического института им. П.Н. Лебедева РАН в Троицком обособленном подразделении ФИАН.

Тематический выпуск «Физика космических лучей»

Н. С. Хаердинов, Д. Д. Джаппуев, К. Х. Канониди, А. У. Куджаев, А. Н. Куреня, А. С. Лидванский, В. Б. Петков, М. Н. Хаердинов, Возмущение свечения ночного неба в ясную погоду на средних широтах // Известия РАН. Серия физическая. 2021. Том 85, № 11. C. 1657-1660.

Эксперимент по изучению вариаций космических лучей во время гроз на Баксанской нейтринной обсерватории (БНО) уже около двух десятилетий назад привел к открытию некоторых процессов, важных для понимания динамики гроз и роли космических лучей в ней. Постепенно к первоначальным наблюдениям вариаций мягкой (электроны, позитроны и гамма-кванты) и жесткой (мюоны) компонент вторичных космических лучей и их корреляций с приземным электрическим полем добавились новые каналы информации. Анализируются магнитные и сейсмические данные, а для ночных гроз ведется наблюдение удаленными видеокамерами с расстояний 1 км и 75 км ночного неба над БНО. Разработан метод оценки электрического поля в стратосфере на основании анализа возмущений интенсивности потока мюонов на поверхности земли (установка Ковер, расположенная на высоте 1700м над уровнем моря). Совместный анализ всех этих данных позволил обнаружить некоторые необычные явления в обычных грозах, в числе которых высотные разряды нового типа, вызывающие свечение верхних слоев атмосферы. Уникальной особенностью события, описанного в настоящей статье, является полное отсутствие признаков грозовой активности обычного типа: на кадрах видеокамер видны звезды (отсутствует грозовая облачность), измеритель приземного электрического поля показывает значения близкие к фоновым (поле хорошей погоды). Тем не менее, восстановленное по интенсивности мюонов поле в тропосфере над горами довольно значительно, а видеокамеры регистрируют широкомасштабное свечение звёздного неба, незаметное глазом, но зарегистрированное видеокамерой (на рисунке панель а – яркость свечения неба в относительных единицах). Свечению предшествовала сейсмическая активность (данные инклинометра на панели д — вариации наклона земной поверхности, 1 В соответствует 5 с дуги), и всё событие происходило на фоне геомагнитного возмущения (магнитная буря от 31.08.2019 г., поведение магнитных индексов SYM-D и SYM-H на панелях б и в). При этом, впервые было зарегистрировано значительное локальное возмущение задержки радиосигнала точного времени спутников GPS (панель г), соответствующее троекратному увеличению полного электронного содержания ионосферы (ПЭС), начавшееся сразу после быстрого возмущения интенсивности мюонов (соответствующая разность потенциалов, восстановленная из вариаций мюонов показана на панели е). В статье, предложена интерпретация этого необычного события, согласно которой имел место подземный горизонтальный импульсный электрический разряд. Факт регистрации комплекса последовательных геофизических возмущений, заканчивающихся компенсацией атмосферного тока, генерированного колебанием Земной коры в районе потенциально активного вулкана Эльбрус, межполушарным током, является указанием на механизм взаимодействия с обменом энергией систем Солнечный ветер – Внутренние структуры Земли.

В коллектив авторов входят сотрудники Института ядерных исследований РАН и Баксанской нейтринной обсерватории этого института, а также сотрудник Института земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н.В. Пушкова РАН. Использованы данные высокоточных инклинометров Лаборатории № 1 Северо-Кавказской геофизической обсерватории Института физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН.

Тематический выпуск «Электромагнитное поле и материалы (фундаментальные физические исследования)»

А. Б. Хутиева, А. В. Садовников, А. Ю. Анненков, С. В. Герус, Э. Г. Локк, Дифракция сверхнаправленного луча поверхностной спиновой волны на слабоконтрастном магнонном кристалле // Известия РАН. Серия физическая. 2021. Том 85, № 11. C. 1542-1545.

Как известно, магнонный кристалл (МК) – это искусственно создаваемая периодическая структура в магнитоупорядоченной среде, причем если энергия периодического возмущения среды мала по сравнению с общей магнитной энергией среды, то такой МК принято называть слабоконтрастным. Например, такой кристалл возникает, если ферритовую пленку намагнитить внешним однородным магнитным полем, к которому добавлено небольшое стационарное пространственно-периодическое магнитное поле.

Если на слабоконтрастный МК направить сверхнаправленный луч поверхностной спиновой волны (ПСВ) (то есть, луч, у которого отсутствует дифракционная расходимость), то в результате его дифракции через МК возникает расщепление исходного луча на узкие дифракционные лучики, так называемые дублёры лучей нулевого и первого порядка дифракции. Поскольку луч, падающий на МК, является сверхнаправленным, то и все возникающие лучи-дублёры также обладают этим свойством (несмотря на то, что они гораздо уже исходного луча) и характеризуются малой дифракционной расходимостью: как видно из приведенного рисунка, они практически не расплываются по мере распространения как на экспериментальной, так и на рассчитанной дифракционных картинах. Кроме того, как видно из рисунка, при взаимодействии луча ПСВ с МК наблюдается смещение исходного луча и существенное уширение области пленки, в которой расположены лучи-дублеры нулевого и первого порядков дифракции. Отметим, что расчеты, которые удалось выполнить и для области МК, показывают, как происходит дифракция луча ПСВ внутри МК.

Экспериментальные визуализированные картины, описывающие дифракцию ПСВ на МК, были получены методом СВЧ зондирования на уникальной экспериментальной установке, разработанной авторами статьи. В отличие от установок, использующих для получения дифракционных картин ПСВ бриллюэновское рассеяние света, созданная установка позволяет получать такие картины на поверхности площадью ~40 см². В состав установки входят измеритель комплексных коэффициентов передачи, компьютер, постоянный магнит и подвижные зонды-преобразователи, с помощью которых можно возбуждать в исследуемой структуре волновые пучки спиновых волн с различными параметрами, принимать эти пучки и измерять их характеристики. Таким образом, установка позволяет исследовать распределение амплитуды и фазы спиновых волн в плоскости различных ферритовых структур. Численные расчёты, соответствующие экспериментальным дифракционным картинам, были выполнены с помощью микромагнитного моделирования на базе пакета программ MUMAX3 методом конечных разностей на основе уравнения Ландау-Лифшица с диссипативным членом в форме, предложенной Гильбертом. Экспериментальная (а) и рассчитанная (б) дифракционные картины в плоскости структуры, описывающие распределение амплитуды ПСВ с частотой 3056 МГц при её распространении через слабоконтрастный МК показаны на рисунке, где цифрами обозначены: 1 — возбуждающий ПСВ линейный преобразователь длиной 5 мм, 2 и 3 – условные границы сверхнаправленного луча ПСВ при отсутствии МК, 4 и 5 – границы МК.

В коллектив авторов входят ведущие специалисты по исследованию спиновых волн из Саратовского государственного университета (СГУ) и Фрязинского филиала института радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН, выполнившие, соответственно, численные расчеты и эксперименты в данной работе, причем одним из авторов работы является студентка 4-го курса СГУ.

Тематический выпуск «Ядерная физика и физика элементарных частиц. Ядерно-физические технологии»

А. А. Богачев, Э. М. Козулин, Г. Н. Княжева, Ю. М. Иткис, К. В. Новиков, Т. Банерджи, М. Чералу, М. Г. Иткис, Е. Мухамеджанов, Д. Кумар, А. Н. Пан, И. В. Пчелинцев, И. В. Воробьев, В. Х. Трзаска, Э. Вардачи, А. Ди Нитто, С. В. Хлебников, Ю. Харка, А. Андреев, Исследование бинарных процессов в реакциях ³⁶Ar+^{144, 154}Sm и ⁶⁸Zn+¹¹²Sn, ведущих к образованию нейтронодефицитных составных ядер ^{180, 190}Hg // Известия РАН. Серия физическая. 2021. Том 85, № 10. C. 1399-1404.

В настоящее время процесс деления доактинидных ядер представляет большой научный интерес. Известно, что эти ядра делятся преимущественно симметрично даже при небольших энергиях возбуждения. Однако, в результате недавнего изучения свойств деления нейтронодефицитного изотопа ¹⁸⁰Hg при энергии возбуждения около 10 МэВ, было обнаружено асимметричное массовое распределение фрагментов в отличие от ожидаемого симметричного, обусловленного влиянием нейтронной оболочки N=50. Это разногласие повлекло за собой интенсивные исследования процесса деления ядер этой области.

При детальном изучении деления составных ядер ^{180, 190}Hg, образованных в реакциях ³⁶Ar+^{144, 154}Sm, массовые распределения фрагментов являются суперпозицией симметричной и асимметричной мод. Наиболее вероятные массы легкого и тяжелого фрагментов для асимметричной моды составляют при этом 80/100 и 83/107 а.е.м. для ¹⁸⁰Hg и ¹⁹⁰Hg, соответственно. В предположении сохранения зарядовой плотности, массам легкого и тяжелого фрагментов соответствуют одни и те же числа протонов для обоих делящихся ядер: Z1/Z2=35/45, тогда как число нейтронов меняется в соответствии с массой составного ядра. Поэтому можно предположить, что именно протонные конфигурации определяют свойства асимметричного деления этих ядер. При увеличении энергии возбуждения делящегося ядра наблюдается рост симметричной моды, которая обусловлена проявлением жидкокапельной составляющей, тогда как относительный вклад асимметричной компоненты уменьшается.

Реакция слияния ⁶⁸Zn+¹¹²Sn ведет к образованию того же ядра ¹⁸⁰Hg, что и в ³⁶Ar+¹⁴⁴Sm. Однако экспериментально измеренные массово-энергетические распределения продуктов реакции разительно отличаются, несмотря на то, что энергии возбуждения составной системы очень близки: 48 и 53 МэВ, соответственно (см. рисунок). Это отличие в распределении фрагментов реакций связано с проявлением процесса квазиделения в более симметричной системе ⁶⁸Zn+¹¹²Sn. Это также является интересным и необычным фактом, поскольку считалось, что при взаимодействии таких относительно нетяжелых ядер процесс квазиделения является незначительным.

Исследования были выполнены с использованием двух-плечевого времяпролетного спектрометра CORSET на ускорителе У-400 Лаборатории ядерных реакций Объединенного института ядерных исследований, а также на ускорителе К-130 Ускорительной лаборатории физического факультета Университета Ювяскюли (Финляндия), при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проект № 19-52-45023).

Тематический выпуск «Фазовые переходы и новые материалы»

Ю. М. Гуфан, Е. Н. Климова, Р. А. Кутуев, Симметрия неприводимой энергии N-атомных взаимодействий и атомистическая теория модулей упругости высокого порядка
// Известия РАН. Серия физическая. 2021. Том 85, № 9. C. 1297-1302.

Возможность вычислить простые механические характеристики кристалла является крайне важным свойством для любой теории строения твердого вещества. Наличие такой возможности – при условии консистентности получаемого результата – прежде всего, означает некоторую общую состоятельность теории: область её принципиальной применимости в таком случае может быть довольно широкой, не ограничивающейся, например, микроскопической структурой кристалла, а значит могут быть обоснованными претензии теории на выход за рамки статуса узкоспециализированной модели. Кроме того, возможность вычислить механические характеристики объекта может быть использована для получения ограничений на значения параметров, фигурирующих в этих вычислениях. Дело в том, что механические характеристики, хотя зачастую и с довольно умеренной точностью, но поддаются непосредственному измерению на образцах. В случае, если эти же характеристики могут быть выражены – если и не аналитически, то по крайней мере вычислительно – через параметры теории, то из этих выражений могут быть получены области значений параметров, согласующиеся с результатами измерений, или хотя бы не противоречащие им.

В работе показано, что само по себе требование вычислимости модулей упругости высокого порядка для абстрактного кристалла приводит к довольно существенным ограничениям на то, как может выглядеть микроскопическая теория его строения, основанная на моделировании взаимодействия составляющих кристалл частиц. На базе этого требования авторы выстраивают критику широко используемых сейчас подходов к построению теории (метод псевдопотенциала, расчеты из первых принципов, метод функционала электронной плотности, метод погруженного атома) и предлагают схематическое описание того, как могла бы строиться теория, основанная на модельном непосредственном учете многочастичных взаимодействий. В работе получены довольно жесткие ограничения на то, как в такой теории может выглядеть зависимость вычисляемой полной потенциальной энергии взаимодействия составляющих кристалл частиц от определенных из симметрических соображений полиномов по радиус-векторам частиц, составляющих ограниченные и также определяемые симметрией кластеры. Поскольку в основе результата лежат только соображения, определяемые симметрией структуры кристалла, полученные требования (точнее, общую схему их получения) можно считать обязательными для микроскопической теории, претендующей на способность описания механических свойств кристалла.

Тематический выпуск «Электронная и зондовая микроскопия и комплементарные методы в исследованиях наноструктур и наноматериалов»

В. И. Бондаренко, И. Н. Трунькин, И. Г. Горлова, Н. Б. Болотина, А. Л. Васильев,
Исследования вакансионной структуры монокристаллов TiS₃
// Известия РАН. Серия физическая. 2021. Том 85, № 8. C. 1109-1114.

Трисульфид титана (TiS₃) – один из представителей трихалькогенидов – материал, обладающий большим потенциалом для применения в производстве полевых транзисторов, фотодетекторов и генераторов электроэнергии. Исследования монокристаллов TiS₃ в разных научных группах показали, что их удельное сопротивление при комнатной температуре может отличаться более чем в 10 раз. Было предположено, что увеличение проводимости кристаллов TiS₃ может быть связано с нарушением стехиометрии состава, в связи с чем можно предположить, что проводимость зависит от плотности вакансий серы.

Метод просвечивающей растровой электронной микроскопии высокого разрешения с регистрацией электронов, рассеянных на «большие» углы (10-15°, в сравнении с Брегговским рассеянием, при котором электроны рассеиваются на углы 3-5°), с помощью высокоуглового кольцевого темнопольного детектора позволяет получить контраст от колонок атомов, зависящий от атомного номера Z в степени γ (γ=1.6-2) и от количества атомов в цепочке, параллельной электронному пучку. Используя такие изображения, возможно предположить присутствие вакансий, попытаться оценить их количество в колонке и, на основании этого, определить плотность вакансий в образце.

В работе проведены расчеты изображений монокристаллов TiS₃ с различным числом вакансий серы в цепочках, параллельных электронному пучку, для различных толщин образца. Был предложен простой и быстрый метод оценки количества вакансий в цепочке по интенсивности изображений колонок атомов. Результаты показали, что использованный метод незначительно отличается от известного метода оценки количества атомов аппроксимацией Гауссианами, причем разброс данных может быть связан с положением вакансий в цепочке атомов серы, параллельной электронному пучку. Благодаря проведенным расчетам удалось оценить плотность вакансий в низкоомном и высокоомном образцах и подтвердить гипотезу о влияние точечных дефектов – вакансий атомов серы на величину проводимости. Кроме этого, было обнаружено упорядочение вакансий в низкоомных образцах TiS₃.

В коллектив авторов входят ведущие специалисты Федерального государственного учреждения «Федеральное научно-исследовательский центр «Кристаллография и фотоника» Российской академии наук», Национального исследовательского центра «Курчатовский институт», Института радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова Российской академии наук, работающие в области физики конденсированного состояния и структурных методов исследования кристаллических материалов. Теория применения уникального метода оценки вакансионной структуры в кристаллах развита и реализована в лаборатории электронной микроскопии ФНИЦ «Кристаллография и фотоника РАН».

Тематический выпуск «Структура и динамика молекулярных систем»

О. А. Райтман, Е. В. Райтман, Н. Л. Зайченко, Г. В. Любимова, А. А. Щербина, А. В. Любимов,
Управление агрегацией дифильных спиропиранов в монослоях Ленгмюра // Известия РАН. Серия физическая. 2021. Том 85, № 8. C. 1122-1127.

Возможность управления физико-химическими свойствами фоточувствительных материалов с помощью внешних воздействий открывает широкие перспективы их применения в самых разных областях науки и техники. Так, феномен изменения оптических характеристик ультратонких пленок на основе фотохромных соединений в результате агрегационных перестроений может быть использован при разработке устройств записи информации и оптической обработки сигналов, в голографии, медицине, сенсорике и т.п. Известно, что ряд спиросоединений демонстрирует термо- и фотоиндуцированную H— и J— агрегацию в органических растворителях, однако, поведение монослоев Ленгмюра из дифильных спиропиранов, обладающих устойчивостью к изменению температуры, высоким активационным барьером реакции изомеризации и значительной спектральной различимостью изомеров в настоящее время практически не изучено. Данная статья, посвященная изучению возможности управления агрегационным состоянием ленгмюровских монослоев из фотохромов на жидких подложках путем введения разбавителя и варьирования поверхностного давления, представляет повышенный интерес для читателей, работающих в области фотохимии, а также физической, коллоидной и супрамолекулярной химии. В работе показано, что дифильный 1’–гексадецил–3′,3’–диметил–6–нитро–1′,3’–дигидроспиро [хромен–2,2’–индол] (SP1) в спироформе не образует устойчивых монослоев на водной субфазе, в то время как мероцианиновая форма этого соединения полностью растекается по поверхности и формирует истинный монослой. Продемонстрировано, что в планарном состоянии у изучаемого вещества резко возрастает склонность к агрегированию, что подтверждается появлением и ростом полосы поглощения в области 620 нм. Формирование смешанных монослоев из молекул SP1 и цетилового спирта, а также внешнее механическое воздействие позволяет управлять степенью агрегации спиропирана в мономолекулярных пленках и добиваться полного растекания соединения по поверхности воды с одновременным сохранением фотохромных свойств вещества в двумерном состоянии. Полученные результаты открывают широкие перспективы использования соединений спиропиранового ряда в молекулярной электронике и для создания наноразмерных оптически активных систем.

В коллектив авторов входят ведущие специалисты Российского химико-технологического университета им. Д.И. Менделеева, Института физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина РАН и Федерального исследовательского центра химической физики им. Н.Н. Семенова РАН (ФИЦ ХФ РАН). Сотрудники ФИЦ ХФ РАН работают в области синтеза оптически активных и фоточувствительных соединений, занимаются их внедрением в полимерные матрицы. Научная группа из РХТУ им. Д.И. Менделеева и ИФХЭ РАН изучает поведение хромо-, ионо- и люминофоров на границе раздела фаз. Сотрудничество этих научных групп позволяет проводить уникальные исследования, направленные на изучение закономерностей протекания фотохимических реакций в двумерных упорядоченных системах.

Тематический выпуск «Фазовые превращения и прочность кристаллов»

Р. В. Сундеев, А. М. Глезер, А. В. Шалимова, А. В. Криворучко, А. А. Велигжанин, В. О. Вахрушев, Применение методов EXAFS- и EELFS-спектроскопии для анализа атомной структуры объемных и поверхностных областей сплава Ti₅₀Ni₂₅Cu₂₅ после экстремальных воздействий методами мегапластических деформаций и закалки из расплава // Известия РАН. Серия физическая. 2021. Том 85, № 7. C. 953-961.

При экстремальном воздействии с помощью больших (мегапластических) деформаций (МПД) трансформация атомно-кристаллической структуры материалов реализуется в условиях неравновесной термодинамики и специфики протекания релаксационных процессов (особенно при низких температурах). Это приводит к появлению необычных структурных состояний с особыми характеристиками химической и топологической неоднородности. Наиболее сложно установить особенности структуры под воздействием МПД в аморфных сплавах, где могут возникать локальные неоднородности атомной структуры. В этих условиях совместное применение методов EXAFS и EELFS является крайне необходимым и эффективным, позволяя представить эволюцию преобразований атомной системы как в объеме, так и на поверхности сплавов по мере варьирования величины МПД.

Особое место среди функциональных сплавов, обладающих эффектом памяти формы, занимает сплав Ti₅₀Ni₂₅Cu₂₅, который может быть получен в аморфном состоянии с помощью двух различных методов экстремальных воздействий: закалкой из жидкого состояния (ЗЖС) и МПД. В статье представлены результаты детального структурного анализа именно этого уникального материала после МПД и ЗЖС. Исследования локальной атомной структуры исходного аморфного состояния, полученного методом ЗЖС, и вторичного аморфного состояния, полученного МПД, выполнены с помощью метода EXAFS-спектроскопии с использованием синхротронного излучения (показано на рисунке) и метода EELFS-спектроскопии. Сопоставление изменений локальной атомной структуры кристаллического сплава Ti₅₀Ni₂₅Cu₂₅ в ходе МПД на поверхности образца и в объеме образца показало, что объеме материала происходит постепенная аморфизация исследуемого кристаллического сплава Ti₅₀Ni₂₅Cu₂₅. Локальная атомная структура этого сплава после МПД (n=6) приближается к локальной атомной структуре сплава после ЗЖС. При этом на поверхности изученный сплав после МПД остается, по всей видимости, в состоянии, близком к кристаллическому состоянию и заметно пересыщен атомами кислорода.

В коллектив авторов входят ведущие специалисты Центрального научно-исследовательского института черной металлургии им. И.П. Бардина, Национального исследовательского центра «Курчатовский институт», МИРЭА — Российского технологического университета и Национального исследовательского технологического университета «МИСиС», работающие в области физики больших пластических деформаций и структурных методов исследования аморфных и нанокристаллических материалов. Теория и практика применения уникального метода EELFS разработана и реализована в лаборатории физики поверхности Института металловедения и физики металлов имени Г.В. Курдюмова в составе ГНЦ РФ «ЦНИИчермет им. И.П. Бардина»

Тематический выпуск «Акустическая физика»

А.В. Садовников, С.А. Никитов, Энергоэффективные устройства обработки информационных сигналов на принципах магнонной стрейнтроники: исследование методом мандельштам-бриллюэновской спектроскопии // Известия РАН. Серия физическая. 2021. Том 85, № 6. C. 766-770.

В статье показано, как подход, основанный на методах магнонной стрейнтроники, может быть использован для создания магнонных логических устройств с управлением амплитудой и фазой спиновых волн. Кванты спиновых волн – магноны, распространяющиеся в магнитных материалах, благодаря своим уникальным свойствам могут использоваться в перспективных системах обработки информационных сигналов с низким энергопотреблением на разных пространственных и временных масштабах. Малое энергопотребление обеспечивается тем, что магноны являются беззарядовыми квазичастицами и в процессе их распространения в слоях магнитных диэлектриков практически отсутствует джоулев нагрев.

В последнее время все больший интерес появляется к исследованиям энергоэффективных методов управления свойствами распространяющихся спиновых волн. Устройства магноники рассматриваются как альтернатива модулям, осуществляющим логические операции на основе элементов полупроводниковой микроэлектроники, основанной на использовании заряда носителей тока (электронов или дырок). При этом наличие спина носителей тока и спин-волновых возбуждений позволяет создавать устройства электроники следующего поколения – диэлектрической магноники с существенно улучшенными параметрами быстродействия, энергопотребления, меньшими пространственными размерами элементов. В качестве демонстрации данного физического эффекта, используя метод мандельштам-бриллюэновской спектроскопии, в структурированных бислоях феррит-пьезоэлектрик был исследован управляемый напряжением спин-волновой транспорт вдоль латеральной структуры, состоящей из двух магнонно-кристаллических микроволноводов. Показана возможность эффективной перестройки спин-волновых характеристик с помощью приложения электрического поля к слою пьезоэлектрика. Механизм трансформации спектров спин-волновых сигналов заключается в управляемой упругими деформациями величине градиента внутреннего магнитного поля в области вблизи зазора между латеральными структурами. С прикладной точки зрения, полученные результаты могут быть использованы для создания энергоэффективных устройств обработки информационного сигнала, таких как демультиплексоры с частотно-пространственной селективностью.

В коллектив авторов входят специалисты Саратовского государственного университета имени Н.Г. Чернышевского и Института радиотехники и электроники РАН, осуществляющие исследования в лаборатории «Магнонные метаматериалы», созданной в Саратове в 2012 году. В лаборатории запущены и непрерывно работают два единственных в Российской Федерации уникальных комплекса мандельштам-бриллюэновской спектроскопии магнитных материалов и живых систем.

Тематический выпуск «Ядерная физика и физика элементарных частиц. Ядерно-физические технологии»

М. В. Чушнякова, И. И. Гончар, Н. А. Хмырова, А. А. Климочкина, Применение эффективных нуклон-нуклонных сил, полученных в рамках теории релятивистского среднего поля, к динамическому моделированию слияния тяжёлых ионов // Известия РАН. Серия физическая. 2021. Том 85, № 5. C. 638-644.

Работа посвящена одной из интересных проблем современной ядерной физики – динамическому моделированию процесса слияния атомных ядер. Эксперименты по столкновению сложных ядер проводятся во многих лабораториях разных стран начиная с 1960-х годов. В результате этих экспериментов открыт новый класс ядерных реакций – реакции глубоко неупругих передач, а также синтезированы ядра новых химических элементов с порядковыми номерами от 104 до 118. Компьютерное моделирование столкновений, ведущих к слиянию ядер, помогает понять особенности процесса и уменьшить затраты на эксперименты.

Одним из важных ингредиентов наших расчётов является энергия взаимодействия двух ядер, которую мы получаем путём свёртки нуклон-нуклонного взаимодействия («NN сил») с плотностями взаимодействующих ядер. В качестве наиболее прогрессивных NN сил в последние годы рассматриваются силы, полученные в рамках теории релятивистского среднего поля (ТРСП силы). Мы систематически применили эти силы для моделирования слияния ядер в данной работе, а также в статье [1. M.V. Chushnyakova et al. // Journal of Physics G. 48 (2021) 015101]. Всего было проанализировано 6 наборов параметров ТРСП сил, которые удалось найти в литературе. Неожиданно оказалось, что многие из этих параметров приводят к нереалистичной энергии ядро-ядерного взаимодействия: у неё отсутствует участок, на котором сильное ядерное взаимодействие превосходит кулоновское отталкивание. Соответственно, слияние ядер становится невозможным. Только два набора параметров (HS и NL2) обеспечивают реалистичный вид потенциальной энергии с кулоновским барьером.

В данной работе, а также в [1], на примере 13 реакций показано, что ТРСП-силы с HS и NL2 параметрами позволяют описать высокоточные экспериментальные данные по сечениям слияния ядер с типичной погрешностью 3-5 %. Рисунок иллюстрирует этот результат для пяти реакций.

Тематический выпуск «Физика космических лучей»

А. Н. Турундаевский, О. А. Васильев, Д. Е. Карманов, И. М. Ковалев, И. А. Кудряшов, А. А. Курганов, А. Д. Панов, Д. М. Подорожный, Основные результаты эксперимента НУКЛОН // Известия РАН. Серия физическая. 2021. Том 85, № 4. C. 478-481.

Одной из наиболее актуальных задач физики космических лучей (КЛ) в настоящее время является определение химического состава обильных КЛ с максимально возможным продвижением вверх по энергетической шкале. Во время начала работ по обсерватории НУКЛОН был консенсус относительно поведения спектров основных обильных (т.е. рожденных главным образом в источниках) ядер до энергий не выше нескольких ТэВ. В 2014-2017 гг. был проведен космический эксперимент НУКЛОН. Комплекс научной аппаратуры НУКЛОН – современный высокотехнологический спектрометр, вобравший в себя передовые на момент разработки технологии физического эксперимента. Характерной особенностью аппаратуры является весьма незначительные потребляемые полетные ресурсы, такие как масса, энергопотребление, габариты. Объясняется это тем, что в спектрометре впервые применена новая методика регистрации энергии частиц КЛ. Авторы назвали эту методику KLEM (Kinematic Light – Weight Energy Meter), чтобы подчеркнуть главное ее достоинство – измеритель энергии небольшой массы, который дает выигрыш почти на порядок в параметре «апертура/масса» в сравнении с традиционными методами.

Несмотря на скромность потребляемых ресурсов, за 2.5 года орбитального эксперимента получен банк данных, включающий около 20 миллионов событий. Это количество превышает суммарную статистику всех прямых экспериментов с аналогичными целями за последние 50 лет, что позволило получить спектры обильных ядер космических лучей до энергий в несколько сотен ТэВ. Впервые произошла интеграция данных наземных и орбитальных измерений энергетического спектра КЛ, благодаря чему появилась возможность прямой калибровки данных, получаемых в наземных экспериментах. Статистически доказано отличие спектра от степенной формы при 2 – 500 ТэВ. В энергетическом диапазоне до 5·10¹⁴ эВ определен химический состав космических лучей с поэлементным разрешением, найден ряд особенностей в энергетических спектрах элементов КЛ. Полученный результат является фактическим материалом, необходимым для построения и уточнения моделей Галактики и ее энергетического баланса.

Коллектив авторов статьи состоит из сотрудников НИИЯФ МГУ, которые в течение многих лет работали над подготовкой и проведением эксперимента НУКЛОН, а затем – обработкой полученных результатов. Коллектив является одной из ведущих групп исследователей в области астрофизики космических лучей.

Тематический выпуск «Физика авроральных явлений»

А. С. Никитенко, О. М. Лебедь, Ю. В. Федоренко, Ю. Маннинен, Н. Г. Клейменова, Л. И. Громова, Оценка положения и размера области рассеяния аврорального хисса по данным высокоширотных наблюдений в пространственно-разнесенных точках // Известия РАН. Серия физическая. 2021. Том 85, № 3. C. 398-403.

Работа посвящена исследованию особенностей выхода к земной поверхности естественных магнитосферных электромагнитных излучений типа авроральный хисс по данным наземных наблюдений электромагнитных полей в очень низкочастотном диапазоне (ОНЧ, от сотен герц до десятков килогерц). Авроральный хисс — один из примеров шумовых излучений, параметры поля которых изменяются во времени случайным образом. Сотрудниками Полярного геофизического института разработан метод анализа данных наземных наблюдений подобного рода излучений. Данный метод использует представление параметров поля в виде их плотностей распределения, в то время как другие методы используют усредненные значения параметров поля. Для интерпретации результатов наземных наблюдений разработана численная модель распространения излучений типа авроральный хисс от области генерации до наземного наблюдателя. Модель включает в себя следующие модули: 1) генерация электростатических волн на высотах 10000 — 20000 км; 2) распространение электростатических волн до области в ионосфере, занятой мелкомасштабными неоднородностями концентрации электронов; 3) рассеяние в конус выхода электростатических волн на мелкомасштабных неоднородностях; 4) распространение рассеянных волн в нижней ионосфере и волноводе Земля — ионосфера.

В работе представлены результаты наземных наблюдений ОНЧ аврорального хисса в трех пространственно-разнесенных точках — Баренцбург (Архипелаг Шпицберген), Ловозеро (Кольский полуостров, Россия) и Каннуслехто (Финляндия). Обнаружены случаи, когда авроральный хисс регистрировался только в обс. Баренцбург и когда всплески наблюдались на всех трех станциях одновременно. Только совместное использование разработанных метода анализа данных и модели распространения аврорального хисса позволило показать, что регистрируемый в обс. Баренцбург всплеск обусловлен существованием рассеивающей области мелкомасштабных неоднородностей электронной концентрации, расположенной к юго-западу от станции. Регистрация всплесков аврорального хисса на всех трех точках вызвана одновременным существованием в ионосфере двух рассеивающих областей, расположенных на разных широтах.

Тематический выпуск «Новые материалы и технологии для систем безопасности»

А. М. Зарезин, П. А. Гусихин, В. М. Муравьев, С. И. Губарев, И. В. Кукушкин, Новое семейство плазменных возбуждений в частично экранированной двумерной электронной системе // Известия РАН. Серия физическая. 2021. Том 85, № 2. C. 158-163.

Коллективные колебания зарядовой плотности – плазмоны, изучаются в двумерных электронных системах (ДЭС) на протяжении более чем 50 лет. Множество теоретических и экспериментальных работ рассматривали данные возбуждения в ДЭС различной конфигурации, в том числе, с сильной экранировкой близко расположенным металлическим затвором. Однако оказалось, что в системах, представляющих собой ДЭС, только частично покрытую затвором, возбуждаются новые плазменные моды, отличные от ранее рассмотренных и исследованных. Несмотря на свою распространенность в реально исследуемых структурах, этот случай долгое время оставался без внимания. С целью изучения данного вопроса была проделана экспериментальная работа по исследованию двумерных электронных систем в гетероструктурах GaAs/AlGaAs, частично экранированных металлическим затвором. Настоящая статья завершает цикл работ, рассматривающих разные геометрии гибридной конфигурации ДЭС с затвором и контактом.

Были исследованы две различные геометрии – диск ДЭС с центральным затвором в форме диска меньшего диаметра и периметрическим контактом (геометрия Корбино) и прямоугольная ДЭС с затвором в форме узкой полоски и боковыми контактами. Измерения проводились с помощью экспериментальной базы Лаборатории неравновесных электронных процессов Института физики твердого тела РАН в криостате с базовой температурой 4.2 К и возможностью откачки гелиевых паров до 1.5 К. Для детектирования плазменных резонансов была использована уникальная оптическая неинвазивная методика, основанная на высокой чувствительности спектра люминесценции двумерных электронов к нагреву ДЭС, вызванному поглощением СВЧ сигнала.

В работе представлены результаты по наблюдению плазменных возбуждений в указанных системах, получены кривые поглощения СВЧ излучения в зависимости от частоты и приложенного магнитного поля, построены соответствующие дисперсионные и магнитодисперсионные зависимости. Оказалось, что в ДЭС с частичной экранировкой наблюдается семейство плазменных колебаний, физически отличное и от обычных неэкранированных плазмонов, и от плазмонов в полностью экранированных ДЭС. Кроме того, при электрическом соединении затвора и контакта наблюдалась особая низкочастотная мода, свойства которой зависят от подключенной внешней цепи. Таким образом, проведенные исследования выделили плазмоны в частично экранированных ДЭС в особое семейство, связанное непосредственно с зарядовыми осцилляциями в подзатворной и околозатворной областях, также содержащее «хитрую» гибридную моду, частоту, магнитополевое поведение и добротность которой можно изменять, подключая различные внешние электрические цепи.

Тематический выпуск «Волновые явления в неоднородных средах»

И. В. Дзедолик, Линейные и нелинейные явления в потоке поверхностных плазмон-поляритонов // Известия РАН. Серия физическая. 2021. Том 85, № 1. C. 6-13.

Работа посвящена динамике электромагнитных волн на границах раздела двух сред, в частности, металлов и диэлектриков, в связи с широкими перспективами применения композитных материалов в микро- и наноустройствах фотонной и плазмонной техники. Высокочастотное электромагнитное поле вызывает осцилляции как свободных, так и связанных зарядов в диэлектрических, полупроводниковых средах и металлах. При этом, в результате осцилляций зарядов излучаются вторичные электромагнитные волны, которые гибридизируются с волнами поляризации связанных и свободных зарядов в среде и распространяются в объеме среды, а также вдоль границы раздела сред в форме плазмон-поляритонных волн.

Внешнее электромагнитное поле слабой интенсивности вызывает линейный отклик диэлектрической проницаемости металла. При увеличении амплитуды внешнего поля появляются ангармонические колебания электронов и ионов, межзонные переходы, которые приводят к проявлению нелинейных поляризационных механизмов. Интенсивная электромагнитная волна или мощный электромагнитный импульс генерируют нелинейные плазмон-поляритонные волны – кноидальные волны, кинки и солитоны в объеме проводящей среды и на границе раздела проводящей и диэлектрической сред. Свойства и динамика кноидальных волн и солитонов зависят от параметров возбуждающих электромагнитных волн и импульсов, а также от геометрии системы и свойств сред, в которых возбуждаются плазмон-поляритоны.

В работе представлены результаты теоретического исследования линейных и нелинейных процессов при распространении плазмон-поляритонов на плоской границе раздела металла и диэлектрической среды в зависимости от граничных условий и плотности энергии возбуждающей электромагнитной волны. Анализ динамики плазмон-поляритонных волн осуществлялся с помощью решения нелинейных уравнений, полученных на основе квантовой гидродинамической модели для уравнения Шредингера, которая позволяет последовательно описать физические механизмы, обуславливающие нелинейный отклик свободных электронов в металле на воздействие внешнего электромагнитного поля. Показано, что профили огибающих плазмон-поляритонных кноидальных волн и их периоды трансформируются при изменении мощности источника и/или условий возбуждения плазмон-поляритонов на границе раздела сред. В частности, при определенном соотношении параметров возникает ударная волна в форме кинка/антикинка. Таким образом, меняя мощность источника внешнего электромагнитного поля, можно управлять периодом и формой нелинейной плазмон-поляритонной волны, распространяющейся в наноустройствах плазмонной техники.

Тематический выпуск «Нанооптика, фотоника и когерентная спектроскопия»

С.Н. Багаев, С.М. Аракелян, А.О. Кучерик, Д.Н. Бухаров, О.Я. Бутковский, Нанооптика тонкопленочных лазерно-индуцированных топологических структур на поверхности твердого тела: фундаментальные явления и их приложения // Известия РАН. Серия физическая. 2020. Том 84, № 12. C. 1682-1695.

Искусственные материалы c функциональными свойствами, зависящими от реализуемой топологии, получили в настоящее время широкое распространение в различных областях физики как в фундаментальном, так и в прикладном аспектах. Такие материалы демонстрируют зависимость электрических (топологические изоляторы) или оптических (фотонные кристаллы) характеристик от реализованной топологии образцов. В большинстве случаев речь идет об исследовании пространственно-периодических структур, например, квазикристаллов и сверхрешеток. В то же время большой интерес вызывают фрактальные системы, демонстрирующие свойства масштабной инвариантности – самовоспроизведение/самоподобие своей структуры в некотором диапазоне масштабов. Для подобного типа структур возникают задачи, позволяющие на новых физических принципах разрабатывать элементы и устройства фотоники и оптоэлектроники с реализацией квантово-размерных эффектов в макроскопических явлениях, например, за счет возможности формирования коррелированных состояний в нанокластерах. В рамках данной работы продемонстрированы возможности лазерного формирования кластерных систем на поверхности различных материалов, исследованы процессы их формирования, предложены модели роста и изучены поверхностные состояния.

Проведенные исследования дают возможность управлять электрофизическими свойствами тонкопленочных структур, в том числе и в аспекте поиска оптимальных значений их параметров в зависимости от топологических особенностей и выбранного элементного состава. Предложенные методы и модели могут быть полезными и перспективными для разработки тонкопленочных элементов и систем нанофотоники и наноэлектроники на новых физических принципах, для использования в высокотехнологичных производственных секторах промышленности.

Тематический выпуск «Медицинская физика»

А.Ю. Юреня, А.А. Никитин, Р.Р. Габбасов, М.А. Поликарпов, В.М. Черепанов, М.А. Чуев, М.А. Абакумов, В.Я. Панченко, Исследование влияния броуновского движения на мёссбауэровские спектры наночастиц в среде, моделирующей клеточную цитоплазму // Известия РАН. Серия физическая. 2020. Том 84, № 11. C. 1638-1642.

Понимание принципов броуновского движения частиц в растворах макромолекул является важнейшей задачей для целого ряда научных направлений. В биофизике клетки одно из таких направлений связано с исследованием процессов внутриклеточного транспорта. Различные макромолекулярные биополимеры, такие как белки, полисахариды и нуклеиновые кислоты, занимают от 5 до 40 % объема жидких биологических сред (в литературе данный эффект часто называют макромолекулярным краудингом), что оказывает значительное влияние на протекание всех биологических процессов, происходящих в клетке. Изучение параметров движения частиц и макромолекул в таких условиях крайне затруднено, поскольку детали этого движения скрыты в наноразмерном масштабе. Современные экспериментальные подходы основаны на оптических измерениях, исследовательские возможности которых применительно к наноразмерным объектам имеют ряд существенных ограничений.
Ранее нами был предложен новый подход к изучению динамики броуновских частиц. В основе подхода лежит мёссбауэровская спектроскопия диспергированных в исследуемой среде наночастиц, изготовленных на основе изотопа ⁵⁷Fe. Вследствие эффекта Доплера броуновское движение наночастиц приводит к однородному уширению их мёссбауэровских спектров. Коэффициент диффузии наночастиц напрямую связан с величиной этого уширения, что позволяет установить его экспериментально. Временное разрешение предлагаемого подхода определяется временем жизни возбужденного состояния ядра ⁵⁷Fe и составляет менее 10^–7 с, что во многом определяет уникальность получаемых данных.

В настоящей работе впервые методом мёссбауэровской спектроскопии проведено исследование наномасштабного движения в условиях макромолекулярного краудинга. В рамках этой задачи исследовались параметры движения наночастиц диаметром 9 нм, находящихся в составе растворов с различным содержанием крупномолекулярного белка БСА. Было показано, что наличие макромолекул в растворах, имеющих идентичную макроскопическую вязкость, замедляет среднюю скорость броуновского движения наночастиц в наносекундном диапазоне измерения. Данный эффект возрастает с повышением концентрации макромолекул в растворе.

Броуновское движение частиц приводит к уширению линий их мёссбауэровского спектра. Величина этого уширения напрямую связана с коэффициентом диффузии частиц в исследуемой системе, что позволяет установить его значение путем вычислений (слева). В соответствии с уравнением Стокса-Эйнштейна, по установленным значениям коэффициента диффузии были рассчитаны значения нано-вязкости. Не смотря на то, что макроскопическая вязкость растворов с различным содержанием БСА идентична, реальная вязкость, которую испытывают наночастицы, зависит от концентрации макромолекул БСА (справа).

Тематический выпуск «Фундаментальные проблемы ядерной физики, ядра у границ нуклонной стабильности, высокие технологии»

Л.Н. Генералов, С.М. Селянкина, R-матричный анализ реакций с возбуждением составного ядра ¹⁰B в области энергии 6.5–19.5 МэВ // Известия РАН. Серия физическая. 2020. Том 84, № 10. C. 1430-1439.

Интерес к R-матричным исследованиям реакций привлекает возможность поиска новых, уточнения характеристик известных уровней ядер и выполнения оценки сечений ядерных реакций по ограниченным наборам экспериментальных данных. Данная работа была инициирована появлением новых экспериментальных данных по дифференциальным сечениям пороговой реакции ⁹Be(p,α₂)⁶Li*.

В работе выполнен R-матричный анализ экспериментальных данных реакций ⁹Be(p,p₀)⁹Be, ⁹Be(p,p₁)⁹Be* (1.670 МэВ), ⁹Be(p,p₂)⁹Be* (2.430 МэВ), ⁹Be(p,n₀)⁹B, ⁹Be(p,d₀)⁸Be, ⁹Be(p,α₀)⁶Li, ⁹Be(p,α₂)⁶Li* (3.5618 МэВ), ⁷Li(³He,p₀)⁹Be для энергии возбуждения составного ядра ¹⁰B от 6.5 до 19.5 МэВ. В анализе использованы экспериментальные данные, полученные авторами, по дифференциальным и интегральным сечениям реакции ⁹Be(p,α2)⁶Li* (3.5618 МэВ, E^π=0⁺) при энергии протонов E_p = 2.3–4.5 МэВ, а также данные по дифференциальным сечениям реакции ⁹Be(p,n₀)⁹B для угла 0° в интервале E_p = 2.2–3.5 МэВ.

Информация о новых уровнях ¹⁰B и уточненные характеристики уже известных состояний будут переданы в международную библиотеку экспериментальных данных EXFOR.

Тематический выпуск «Релаксационные явления в твердых телах»

Кульков В.Г., Вклад зернограничных пор в высокотемпературный фон внутреннего трения в металлах с ультрамелким зерном // Известия РАН. Серия физическая. 2020. Том 84, № 9. C. 1232-1235.

Возрастание интереса исследователей к пористым материалам связано с тем, что они обладают рядом интересных физических свойств, например, таких как пониженная плотность, повышенные диффузионная проницаемость, пластичность, адсорбционная и каталитическая активность, звукопоглощение и другие. В большинстве случаев поры имеют различную геометрическую форму – от длинной цилиндрической до сферической и линзовидной, а также могут располагаться в области границ зерен. Известно, что пористые материалы обладают повышенной величиной внутреннего трения. Значительное количество пор расположено на границах зерен. Роль таких пор в процессах диссипации энергии колебаний возрастает в металлах с ультрамелким зерном в связи с увеличением доли вещества, принадлежащего зернограничной фазе. Целью предлагаемой работы является исследование механизма внутреннего трения в поликристаллическом материале, на границах зерен которого располагаются поры.

Считаем сечения пор плоскостью границы зерна окружностями, а сами поры одинакового размера, равномерно распределенными по площади границы. Рассматривается модельная область в виде кольца, по которому сопрягаются два соседних зерна. Внутренняя и внешняя области соответствуют порам. Под воздействием внешнего переменного напряжения, нормального к границе, кольцевая область сопряжения зерен является распределенным периодически действующим источником избыточных вакансий, диффузионно стекающих к ее границам. Из решения неоднородного нестационарного уравнения диффузии находятся распределение вакансий по расчетной области, их потоки к границам, а также скорость взаимного смещения зерен. Распределение локальных напряжений получено с учетом эффекта их подстройки, принимающего во внимание различную степень восприятия силовой нагрузки в зависимости от концентрации зернограничных вакансий. Полученные локальные характеристики позволяют определить зависимость величины высокотемпературного фона внутреннего трения от температуры и частоты колебаний.

График зависимости величины внутреннего трения от обратной температуры содержит два прямолинейных участка с тангенсами углов наклона, равными — 1 и — 0.6. Это означает, что эффективная энергия активации фона внутреннего трения равна 0.6 от энергии активации зернограничной диффузии вакансий в области низких температур и высоких частот, либо самой этой энергии в области высоких температур и низких частот. Такой вид зависимости можно понять из сравнения диффузионной длины рождаемых в кольцевой зоне вакансий за время полупериода колебаний с ее шириной. Положение точки излома графика позволяет оценить как размер вакансий, так и энергию активации их миграции в границе. При температурах, близких к точке плавления в зависимости от степени неравновесности границы может появиться еще одна точка излома. Положение ее позволяет оценить величину избыточного свободного объема в границе, обусловленного ее атомной структурой в сравнении с концентрацией тепловых вакансий.

Автор статьи: Кульков Виктор Геннадьевич, профессор филиала НИУ «Московский энергетический институт», доктор физико-математических наук, участник международных конференций по релаксационным явлениям в твердых телах.

Тематический выпуск «Упорядочение в минералах и сплавах»

Ахкубеков А.А. , Ахкубекова С.Н., Гуфан Ю.М., Лайпанов М.З., Влияние структурно-фазового состояния поверхности подложки переменного состава на растекание расплава и их связь с диаграммой состояния // Известия РАН. Серия физическая. 2020. Том 84, № 9. C. 1350-1354.

К настоящему времени накоплен большой экспериментальный материал по исследованию смачивания и растекания жидких металлов по твердой поверхности, позволяющий описать концентрационные и температурные зависимости. Полученные результаты применяются при решении ряда крупных научно-технических проблем. Не малый интерес вызывают эвтектические сплавы, которые широко применяются в различных отраслях современной промышленности, в частности, некоторые из них используются в качестве теплоносителей в атомных реакторах. В научных кругах сложилось устойчивое мнение о том, что эвтектическая структура и структура интерметаллических соединений сохраняются в расплавах и после плавления, что оказывает заметное влияние на температурную и концентрационную зависимость поверхностных свойств, в том числе при смачивании и растекании металлов (сплавов). Рассматриваемые вопросы становятся более актуальными, когда объектами практического использования являются материалы с поверхностью переменного состава – композиционные материалы, многофазные сплавы, пористые тела и т.д. Решение данной задачи связано с формированием и нанесением капель одинакового размера на соответствующие точки поверхности подложки переменного состава.

Однако на сегодняшний день нет однозначного ответа о связи поверхностных характеристик растекающихся металлов (сплавов) по поверхности твердых тел с диаграммами состояния, поэтому нами была поставлена цель показать взаимосвязь между фазовой диаграммой состояния и поверхностными явлениями – смачиванием и растеканием капель жидкости по поверхности твердых зон. Суть предлагаемого подхода заключается в том, что смачивание и растекание дозированных капель будет зависеть от концентрации (структурно-фазовой) площадки. Так как концентрация в переходной зоне связана с диаграммой состояния, то опосредовано с ней будут связаны и параметры растекания.

Преимущество предложенного нами подхода к решению данных задач заключается в в возможности изучать концентрационные (структурные) и температурные зависимости поверхностных явлений. В нашем случае изменение конфигурации диаметра пятна растекания капель галлия, вдоль переходной зоны в системе Bi–Pb видно на рисунке. Разработанный подход позволяет экономить материалы и повысить производительность эксперимента при сохранении достаточной точности.

Авторы статьи: Гуфан Юрий Михайлович, доктор физ.- мат. наук, профессор, заслуженный деятель науки РФ, автор более 300 научных работ в ведущих отечественных и зарубежных научных изданиях, автор трех монографий. Подготовил 14 кандидатов и 8 докторов физ.-мат. наук. Инициатор, организатор и председатель программных комитетов нескольких десятков всероссийских и международных научных симпозиумов по физике конденсированного состояния. Наша группа тесно работала с Ю.М. Гуфаном более 30 лет. Он член двух диссертационных советов при Кабардино-Балкарском государственном университете (КБГУ), участник региональных семинаров имени С.Н. Задумкина. Юрий Михайлович был и остается учителем, другом и коллегой профессорско-преподавательского коллектива КБГУ, выдающийся профессионал и бескомпромиссный борец за чистоту в науке. Ахкубеков Анатолий Амишевич — доктор физ.-мат. наук, профессор кафедры физики наносистем, декан физического факультета КБГУ в 2002-2011 гг., ученый секретарь диссертационного совета Д 212.076.02. Ахкубекова Светлана Наниевна — кандидат физ.-мат. наук, доцент кафедры технической механики и физики Кабардино-Балкарского государственного аграрного университета. Лайпанов Мурат Занарустумович — старший преподаватель кафедры физики Карачаево-Черкесского государственого университета имени У.Д. Алиева.

Проблемы ядерной спектроскопии и структура атомного ядра

Самарин В.В., Изучение основных состояний ядер свойств ^6,7,9,10Be методом фейнмановских континуальных интегралов // Известия РАН. Серия физическая. 2020. Том 84, № 8. C. 1187-1196.

Интерес к исследованию свойств легких атомных ядер обусловлен несколькими причинами. Во-первых, реакции с участием таких ядер определяют начальную стадию звездного нуклеосинтеза в астрофизике. Во-вторых, структура ядер берилия существенно отличается от структуры средних и тяжелых ядер. Ядра ⁹Be и ¹⁰Be представляют как своеобразные ядерные “молекулы” — две альфа-частицы (сильно связанные нуклонные кластеры, сходные с ядром ⁴Не), удерживаемые рядом одним и двумя “валентными” нейтронами. В-третьих, для малочастичных систем, таких как ядра ^6,7,9,10Be, вычислительные методы, основанные на традиционном квантово-механическом подходе – уравнении Шредингера, весьма громоздки и их трудоемкость резко возрастает с ростом числа N частиц, начиная уже с N = 4.

Работа посвящена разрешению этой проблемы для N = 3, 4 на основе предложенного Ричардом Фейнманом квантово-механического метода интегралов по траекториям (континуальных интегралов) и является продолжением цикла работ, часть из которых была выполнена в соавторстве с М.А. Науменко, опубликованных в журналах Ядерная физика (2015, 2017), Известия РАН. Серия физическая (2016, 2019), Supercomputing frontiers and innovations (2016), EPJ Web of Conferences (2018), Nuovo Cimento C (2019), посвященных расчетам для легких ядер ³H, ^3,4,6He, ^6,7,11Li, и альфа-кластерных ядер ¹²С, ¹⁶О (при N = 3, 4). В работе, опубликованной в журнале Journal of Physics: Conference Series (2020), впервые были выполнены расчеты для альфа-кластерных ядер ²⁰Ne, ²⁴Mg, ²⁸Si (при N = 5, 6, 7), практически недоступные для других методов. Первое использование автором данного метода в 1985 г. из-за скромных возможностей существовавших в то время ЭВМ было ограничено рамками учебного пособия для студентов специализации “Теоретическая физика”. Суть метода заключается в расщеплении исходной сложной задачи на множество более простых независимых задач, поэтому практическая возможность его применения для ядерных расчетов появилась лишь благодаря современной технологии CUDA параллельных вычислений на графических процессорах.

В данной работе расчеты для ядер ^6,7,9,10Be были выполнены на гетерогенном кластере Лаборатории информационных технологий ОИЯИ. На рисунке для ядер ⁹Be и ¹⁰Be градациями серого цвета в логарифмическом масштабе показаны плотности вероятности конфигураций с различными расположениями альфа-кластеров (большие кружки) и нейтронов (малые кружки) в переменных Якоби x, y, z. Количественно подтверждена молекулярная структура этих ядер. Валентные нейтроны в них с большей вероятностью находятся между альфа-кластерами, причем в ядре ¹⁰Be нейтроны “предпочитают” находиться рядом, образуя динейтронный кластер, не существующий в свободном состоянии. В ядре ⁷Be часть нуклонов образует сильно связанный альфа-кластер, остальные — кластер, сходный с ядром ³Не. Полученные результаты согласуются с экспериментальными результатами, полученными в Лаборатории ядерных реакций ОИЯИ для реакций передачи нейтронов и нуклонных кластеров с ядра-мишени ⁹Be. Они также могут быть использованы для анализа экспериментальных данных и для других реакций с участием ядер ^7,10Be. Применение метода континуальных интегралов возможно и как дополнение к известным вычислительным методам для малочастичных систем, например, методу гиперсферических функций.

Автор статьи: Самарин Вячеслав Владимирович с 1975 г. по 2010 г. преподавал в вузах, с 2010 г. — ведущий научный сотрудник Объединенного института ядерных исследований, доктор физ.-мат. наук, участник международных конференций по ядерной физике, член оргкомитета конференции Ядро-2019 (Дубна).

Люминесценция и лазерная физика

Витухновский А.Г., Звагельский Р.Д., Колымагин Д.А., Писаренко А.В., Чубич Д.А., Трехмерная оптическая литография и наноразмерные оптические коннекторы // Известия РАН. Серия физическая. 2020. Том 84, № 7. C. 927-933.

Статья посвящена актуальному направлению исследований в области фотоники — соединению планарных волноводов с помощью трехмерного оптического коннектора для успешного управления светом, полученным от источников одиночных фотонов, и последующего использования данной гибридной конструкции в фотонных интегральных схемах. Работа выполнена коллективом сотрудниками Лаборатории технологий 3D-печати функциональных микроструктур МФТИ под руководством профессора А.Г. Витухновского.

Уникальная установка для трехмерной оптической литографии сверхвысокого разрешения позволила изготовить полимерные 3D оптические коннекторы сложной геометрии с субмикронной точностью, а также решить сложную задачу по прецизионному совмещению таких трехмерных коннекторов с планарным волноводом Si₃N₄ для передачи излучения ближнего ИК-диапазона с минимальными потерями. Кроме того, детально исследована морфология изготовленных 3D коннекторов с помощью методов растровой электронной микроскопии и атомно-силовой микроскопии. На основе анализа полученных экспериментальных данных оптимизированы форма и методика изготовления коннекторов для достижения большей эффективности распространения ИК-излучения.

Полученные результаты демонстрируют широкие перспективы использования трехмерных оптических коннекторов для создания сложных фотонных интегральных схем и гибридных оптических систем, объединяющих разнородные чипы с расположенными на них оптическими элементами: фильтрами, резонаторами, фотонными кристаллами, интегральными лазерами, фотодатчиками, соединёнными с помощью таких полимерных коннекторов.

Кристаллофизика и деформационное поведение
перспективных материалов

Головин Ю.И., Жигачев А.О., Головин Д.Ю., Грибановский С.Л., Кабанов А.В., Клячко Н.Л., Стрейнтроника для нанобиомедицины. Управление биохимическими системами посредством контролируемой нанодеформации на макромолекулярном уровне // Известия РАН. Серия физическая. 2020. Том 84, № 7. C. 988-993.

В статье рассмотрено приложение принципов стрейнтроники (управляемого изменения свойств различных материалов посредством их контролируемой деформации) в задачах биомедицины. Деформации, локализованные в микро- и наномасштабах и вызванные силами определённой величины, будучи приложенными к биообъектам и биомолекулярным структурам, таким как биоактивные макромолекулы, мембраны, клетки, клеточные рецепторы, органеллы, вызывают в них различные заранее известные отклики. Для биомакромолекул – это изменение их химической активности, для мембран – изменение их проницаемости, для клеточных структур – изменение поведения и метаболизма клеток. Источником силового воздействия, локализованного на молекулярном уровне, служат функционализованные магнитные наночастицы, приводимые во вращательно-колебательное движение переменным магнитным полем. Будучи введёнными в организм, они могут локализовываться в нужной области, вплоть до отдельных целевых клеток и биоактивных макромолекул, и обеспечивать точечное неинвазивное наномеханическое воздействие за счёт управления внешним низкочастотным негреющим магнитным полем с безопасными параметрами. Описанный подход открывает большие возможности для разработки новых стратегий в современной медицине: адресной доставки и контролируемого выпуска лекарств в организме, уничтожения патологических (например, раковых) клеток и стимуляции пролиферации здоровых.

В работе представлены теоретические модели, разработанные коллективом авторов, и результаты экспериментов, которые раскрывают преимущества технологии стрейнтроники в медицине по сравнению с другими терапевтическими техниками. Приведенные данные наглядно демонстрируют широкий спектр применения нано-магнито-механической активации на молекулярном уровне в разработках инновационной терапевтической платформы нового поколения. В частности, показано, что магнитные наночастицы позволяют снижать или, наоборот, увеличивать активность выбранных экспериментаторами ферментов, запускать по внешнему сигналу выгрузку лекарств из наноконтейнеров-переносчиков. Наиболее перспективно применение нано-магнито-механической активации для безлекарственной терапии, позволяющей избирательно уничтожать раковые клетки путем механотрансдукции — индуцирования в них запрограммированного природой апоптоза (механоиндуцированной смерти). При этом минимизируется воздействие на здоровые клетки и риск побочных эффектов, которые существуют в традиционной радио- и химиотерапии. В рамках описанной технологической платформы существует также перспектива осуществления терапии нейродегенеративных заболеваний на клеточном уровне.

В коллектив авторов входят специалисты Тамбовского государственного университета имени Г.Р. Державина, Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова и Университета Северной Каролины (США) в области физики, биофизики и биохимии, которые благодаря совместным усилиям реализуют долговременную комплексную программу исследований и являются одними из лидеров в междисциплинарной области – нано-магнитомеханической актуации биохимических систем на молекулярном уровне.

Актуальные достижения в области акустики

Н.В. Поликарпова, Характеристики акустических волн при преломлении на границе раздела ниобат лития – парателлурит в акустооптических устройствах // Известия РАН. Серия физическая. 2020. Том 84, № 6. C. 808–814.

Прогресс современной науки и технологий определяется созданием новых сред и материалов. По этой причине сейчас активно разрабатываются, создаются и исследуются искусственно созданные периодические среды, такие как, например, фотонные кристаллы. В них наблюдается ряд новых явлений и эффектов, обусловленных их чрезвычайным многообразием и вариативностью. Однако и в традиционных монокристаллических средах также можно обнаружить новые неожиданные эффекты. Причиной эффектов, о которых идет речь в данной работе, является сильная анизотропия упругих свойств среды. В качестве исследуемого материала выбран кристалл парателлурита. Этот материал имеет исключительное значение для акустооптики и является на сегодняшний день самым эффективным и применяемым материалом в видимом диапазоне длин волн.

В работе исследовано явление преломления упругих волн на границе раздела двух наиболее часто используемых в акустооптике анизотропных сред: ниобата лития и парателлурита. Показано, что преломление волн происходит принципиально иным образом, чем в изотропных средах. Может наблюдаться преломление, при котором энергия медленной преломленной волны, составляет с исходной модой малый угол, не превышающий величины 30 градусов. Подобное поведение волны, позволяет говорить о том, что она испытывает отрицательное (обратное) преломление. Изменение угла падения не влияет значительно на картину преломления, что говорит об отсутствии чувствительности к срезу кристалла. Угол преломления для потока энергии упругих волн в кристалле парателлурита не зависит от угла падения в кристалле ниобата лития, т.е. одному и тому же значению угла преломления соответствует широкий диапазон значений углов падения. Другими словами, изменение направления падающей волны в кристалле ниобата лития на величину порядка одного градуса не влияет на направление распространения потоков энергии преломленных волн и ошибка в выборе среза преобразователя не сказывается на направление распространения возбуждаемых волн. Это является важным преимуществом при разработке технологии производства акустооптических устройств. В работе на практике реализован случай, когда при нормальном падении акустической волны на границу ниобат лития–парателлурит углы преломления для групповых скоростей практически всегда отличны от нуля.

Описанные эффекты, без ограничения общности, можно ожидать и в других анизотропных материалах. При этом величина отрицательного угла преломления для групповой скорости волны будет варьироваться в зависимости от степени анизотропии данного материала. Необычные явления можно ожидать и в периодических структурах иной физической природы, например, в фононных кристаллах. Изменяя соответствующие параметры материала, можно влиять желаемым образом на анизотропию материала, а следовательно, и на величину эффекта. Таким образом, учет особенностей преломления волн позволяет создавать новые акустооптические устройства с высокой эффективностью возбуждения необходимых акустических мод.

Взаимодействие ионов с поверхностью

Ю.В. Борисюк, Н.М. Орешникова, А.А. Писарев, Низкотемпературное плазменное азотирование высокохромистых и низкохромистых сталей // Известия РАН. Серия физическая. 2020. Том 84, № 6. C. 892–898.

Работа посвящена актуальным исследованиям, связанным с изучением и развитием плазменной химико-термической обработки, а именно азотированию в плазме аномального тлеющего разряда. В последнее время можно наблюдать, что многие отрасли промышленности взяли на вооружение плазменное азотирование, являющееся мощным инструментом химико-термической обработки.
Суть результата процесса азотирования заключается в том, что поверхность обрабатываемой детали насыщается азотом, что приводит к образованию в приповерхностной области нитридов металлов, входящих в состав сплава. Полученный на поверхности модифицированный слой по сравнению с необработанным изделием обладает рядом преимуществ, такими как повышенная поверхностная твердость, коррозионная стойкость, уменьшенное трение и износ. Кроме того, модифицированный слой также может являться своеобразным фундаментом для других покрытий. В ряде случаев важным параметром полученного слоя является шероховатость поверхности. Несмотря на то, что плазменное азотирование дает минимальную шероховатость по сравнению с азотированием в газе и солях металлов, в ряде случаев возникает необходимость полировки после азотирования и даже полного удаления твердого, но хрупкого белого слоя путем шлифовки. Поэтому исследование условий формирования и поиск режимов, не приводящих к образованию белого слоя и, соответственно, увеличению шероховатости остается важной задачей.

В статье особое внимание уделяется сталям российского производства. Несмотря на то, что существует множество исследований по азотированию импортных аналогов, информации по азотированию отечественных сталей относительно немного. Притом опыт азотирования импортных аналогов не всегда применим для азотирования российских сталей, так как они несколько отличаются химическим составом и предварительной термообработкой.

В работе приводятся результаты азотирования двух низколегированных конструкционных сталей (30ХГСА и 30ХН2МФА) и двух высоколегированных сталей с высоким содержанием хрома (коррозионно-стойкая мартенситная сталь 03Х11Н10М2Т-ВД и углеродосодержащая хромистая штамповая сталь Х12М). Азотирование проводилось в плазме импульсно-периодического аномального тлеющего разряда при низкой температуре (400–450 °C) в азотно-водородной газовой среде с 10–15% и с 50% содержанием азота и различном времени азотирования (2–8 ч). В статье описаны результаты анализа модифицированных слоев, приведены распределения микротвердости по глубине образца, изображения поверхности поперечных шлифов и ЭДС-анализ.

К.М. Салихов, Проявление переноса когерентности в спектроскопии. Новая парадигма спинового обмена и его проявления в спектрах ЭПР // Известия РАН. Серия физическая. 2020. Том 84, № 5. C. 659–663.

Работа посвящена новой парадигме бимолекулярного процесса спинового обмена и его проявлений в спектроскопии электронного парамагнитного резонанса (ЭПР), сформулированной на основе теоретических исследований автора. Создание новой парадигмы стало результатом осмысления полувековой работы и открыло возможности для использования идей и методов спинового обмена в других областях науки. Теоретические предсказания были подтверждены в экспериментах, проведенных в группе проф. Б. Бейлза (США) и в Казанском физико-техническом институте имени Е.К. Завойского РАН – одном из ведущих научных центров в области ЭПР-спектроскопии.

Статья сфокусирована на переносе когерентности данной парамагнитной частице от партнеров при столкновениях. Фактически, речь идет об эффекте “отдачи” квантовой спиновой когерентности при спиновом обмене. Изучение спинового обмена в растворах с помощью ЭПР спектроскопии стало важнейшим методом для определения частоты бимолекулярных столкновений частиц, в том числе, в сложных средах, растворах полимеров, пористых структурах, биологических объектах. В настоящее время метод ЭПР широко применяется для определения частоты бимолекулярных столкновений и не парамагнитных частиц. С этой целью используют близкие по структуре парамагнитные частицы. Изучаемую диамагнитную молекулу можно ковалентно связать с небольшим стабильным радикалом, имеющим один неспаренный электрон, т.е. “прицепить” к молекуле спиновую метку и получить спиновый зонд. При столкновении двух спиновых зондов электронные орбитали неспаренных электронов перекрываются и включается гейзенберговское обменное взаимодействие, изменяющее состояния спинов электронов. Эквивалентный обмен квантовыми состояниями спинов, т.е. спиновый обмен, является своеобразным аналогом противодействия по 3-ему закону Ньютона в механике.

Спиновый обмен часто используется как модельный процесс. Элементарный процесс спинового обмена сравнительно простой, поэтому удается теоретически рассчитать эффективный радиус столкновения в конденсированных средах или эффективное сечение спинового обмена в газовой фазе. С другой стороны, спиновый обмен и, прежде всего “отдача” квантовой спиновой когерентности, вызывает характерные трансформации формы спектра ЭПР, связанные с формированием коллективных мод движения когерентности спинов всей системы. В спектре ЭПР появляются резонансные линии асимметричной формы, которые можно представить в виде суммы симметричной (четной) линии поглощения и не симметричной (нечетной) линии дисперсии. Наблюдаются уширение и сдвиг линий коллективных резонансов с зависимости от частоты спинового обмена. С ростом частоты спинового обмена наступает коллапс всего спектра в одну однородно уширенную линию в центре тяжести резонансных частот индивидуальных спинов. Этот эффект обменного сужения спектра связан с тем, что в условиях достаточно быстрого спинового обмена внешнее СВЧ поле эффективно возбуждает только одну из коллективных мод движения спинов. Остальные коллективные моды, с другими резонансными частотами, становятся “запрещенными” линиями в спектре.

Развитая теория предлагает алгоритм определения частот спинового обмена из анализа формы спектров ЭПР, который позволяет повысить точность определения частоты бимолекулярных столкновений. Положения новой парадигмы спинового обмена могут быть непосредственно распространены на ряд других явлений, например, мономолекулярные химические реакции, перенос электрона в молекулярных кристаллах, диффузия молекул в сложных средах. Все эти процессы, включая спиновый обмен, можно свести к случайным изменениям резонансных частот электронных или ядерных спинов, т.е. к спектральной диффузии. Движение макроскопических намагниченностей подансамблей изохроматических спинов в приведенных примерах описывается формально одинаковыми кинетическими уравнениями. Во всех этих случаях спиновый обмен может служить моделью для их изучения. Новая парадигма спинового обмена позволяет ставить и решать совершенно новые задачи и дает импульс для дальнейшего развития науки.

А.А. Воинов, В.К. Утенков, Ю.Ц. Оганесян, Ф.Ш. Абдуллин, А.Н. Поляков, Ю.С. Цыганов, И.В. Широковский, Р.Н. Сагайдак, В.Г. Субботин, С.Н. Дмитриев, М.Г. Иткис, М.В. Шумейко, Н.Д. Коврижных, А.В. Сабельников, Г.К. Востокин, Синтез и изучение свойств сверхтяжелых ядер ²⁹⁴Ts и ²⁹⁴Og // Известия РАН. Серия физическая. 2020. Том 84, № 4. C. 462–467.

Работа посвящена интереснейшей проблеме современной ядерной физики – определению границ существования материального мира, а именно, получению в лабораторных условиях ядер наиболее тяжелых элементов Периодической таблицы Д.И. Менделеева и изучению их стабильности (радиоактивных свойств). К концу 1990-х годов в разных лабораториях мира удалось синтезировать элементы с порядковым номером до 112 (Cn). Изотопы ядер этих элементов расположены в правой части карты ядер, вблизи числа нейтронов N=162. Но для получения более тяжелых элементов требовалось значительное повышение чувствительности эксперимента. Синтез элементов тяжелее 113 казался невозможным.

Однако с середины 1960-х годов теория предсказывала существование новой области ядер с повышенной стабильностью – «остров стабильности ядер сверхтяжелых элементов» с числом протонов около Z=114 и числом нейтронов около N=184. К ним удалось подобраться только в начале 2000-х годов благодаря экспериментам, выполненным в Дубне под руководством академика РАН Ю.Ц. Оганесяна. Была выполнена серия экспериментов на газонаполненном сепараторе Лаборатории ядерных реакций им. Г.Н. Флерова (ОИЯИ) в сотрудничестве с лабораториями США (Ливермор, Ок-Ридж), в которых мишени из изотопов от ²³⁸U до ^249–251Cf (Z=92–98) облучались ускоренными ядрами ⁴⁸Са. Слияние этих ядер привело к открытию новых тяжелых ядер элементов от 113 до 118 и самой области «сверхтяжелых элементов».

В работе представлены результаты экспериментов по синтезу изотопов наиболее тяжелых элементов Ts (Z=117) и Og (Z=118) в реакциях полного слияния ядер ²⁴⁹Bk+⁴⁸Ca и ²⁴⁹Cf+⁴⁸Ca. Дано описание экспериментальной установки и методов детектирования образующихся ядер. Обсуждаются пути дальнейшего исследования «острова стабильности» на новом сепараторе Фабрики сверхтяжелых элементов лаборатории ядерных реакций в реакциях слияния ядер ²⁴⁹Bk и ^249–251Cf с ионами ⁵⁰Ti, которые могут привести к открытию еще более тяжелых ядер элементов с Z=119 и 120.

А.П. Низовцев, С.Я. Килин, Микроволны для эффективного манипулирования ядерными спинами в системах NV-¹³C в алмазе // Известия РАН. Серия физическая. 2020. Том 84, № 3. C. 310–316.

Статья посвящена актуальному направлению твердотельной квантовой физики – оптимизации квантовых операций на кубитах, реализуемых электронно-ядерными спиновыми системами NV-¹³C в алмазе, которые благодаря своим уникальным свойствам нашли широкое применение в квантовой информатике, нанометрологии и сенсорике.

Авторы статьи: доктор физ.-мат. наук Низовцев А.П., главный научный сотрудник Института физики им. Б.И. Степанова Национальной академии наук Беларуси, и академик НАН Беларуси Килин С.Я., заместитель председателя президиума НАН Беларуси, избранный недавно почетным иностранным членом Российской академии наук, являются признанными специалистами в области квантовой оптики и квантовой информатики. Еще в 2001 году они совместно с проф. Й. Врахтрупом (J. Wrachtrup, университет Штутгарта, Германия), основоположником экспериментального исследования одиночных NV центров в алмазе, предложили использовать сиcтемы NV-¹³C для реализации твердотельного квантового процессора и далее внесли значительный вклад в выяснение взаимосвязанных фотофизических и спиновых свойств NV центров. Недавно ими на основе моделирования методами квантовой химии углеродного кластера C₅₁₀[NV]H₂₅₂, содержащего NV центр, были получены данные о сверхтонких взаимодействиях для сотен различных систем NV-¹³С, которые неоднократно были подтверждены экспериментально.

В данной работе эти расчетные данные использованы для предсказания оптимальных условий когерентного манипулирования состояниями ядерного спина ¹³С в системах NV-¹³C с помощью микроволнового излучения, а не радиочастотных импульсов, как это делается обычно. На основе численных расчетов и аналитического анализа показано, что наиболее эффективно такое управление ядерным спином атома ¹³С реализуется при наличии резонансов в системе NV-¹³C, «одетой» микроволновым излучением.

А.В. Матюнин, Г.М. Николадзе, П.А. Поляков, Временные аспекты 180° импульсного перемагничивания пленок ферритов-гранатов со сложной анизотропией // Известия РАН. Серия физическая. 2020. Том 84, № 2. C. 198–200.

В работе продемонстрирована возможность двукратного увеличения записи стандартной архитектуры магниторезистивной оперативной памяти (MRAM), на основе использования в качестве записывающего элемента магнитного слоя с плоскостной анизотропией, обладающего двухосной анизотропией в плоскости. Рассмотрен конкретный образец материала с такой структурой анизотропии, имеющий четыре устойчивых состояния ориентации вектора намагниченности. Показана возможность кодирования на подобных элементах 4 битов информации, в отличие от 2 битов в традиционных элементах MRAM.

Для реализации идеи практически не требуется изменять традиционную архитектуру организации MRAM и усложнять ее дополнительными управляющими элементами или уменьшать размеры ячейки памяти. Достаточно только изменить магнитный материал записывающего элемента и получить фактически «даром» двукратное увеличение плотности записи магниторезистивной оперативной памяти.

В.В. Кулагин, В.В. Валуев, С.М. Конторов, Д.А. Прохоров, В.А. Черепенин, Высокочастотный радиофотонный АЦП с многоканальным измерением сигнала в спектральных интервалах // Известия РАН. Серия физическая. 2020. Том 84, № 1. C. 67–72.

Радиофотоника (микроволновая фотоника) изучает взаимодействие между оптическими и радиочастотными электромагнитными полями в различных нелинейных средах и устройствах с целью создания новых методов генерации и обработки СВЧ сигналов средствами фотоники. Преимуществами радиофотонных устройств являются чрезвычайно широкая полоса (100 ГГц и более), возможность удаленного программного управления режимами работы, гибкость формирования новых устройств, выполняющих определенные функции, защищенность от электромагнитных помех, малый вес и размеры, невысокая стоимость при массовом производстве.

Одним из перспективных типов устройств, разрабатываемых в настоящее время на радиофотонной элементной базе, является высокочастотный аналого-цифровой преобразователь (АЦП). Выходной сигнал такого АЦП может быть получен только в результате совместной обработки всех отсчетов, что требует параллельной обработки информации. В то же время для СВЧ сигнала с ограниченной шириной полосы такой метод оцифровки является избыточным, т.к. часть полученных после обработки данных не будет содержать полезной информации и будет отброшена, причем эта часть растет с увеличением отношения несущей частоты к ширине полосы сигнала. Более эффективным в этом случае может быть подход, основанный на радиофотонном многоканальном преобразовании сигнала на промежуточную частоту с его последующим измерением.

В работе исследована схема радиофотонного АЦП с многоканальным измерением входного сигнала на основе высокостабильного непрерывного лазера. Создан макет двухканального преобразователя частоты для радиофотонного АЦП и проведены его экспериментальные исследования, которые подтвердили возможность деления входного СВЧ сигнала на спектральные интервалы с последующим их преобразованием на промежуточную частоту. Показано, что при использовании современных оптических элементов в оцифрованном сигнале может быть получено 8-10 эффективных бит независимо от средней частоты спектра сигнала.

Е.В. Васильев, В.П. Кандидов, В.О. Компанец, С.В. Чекалин, С.А. Шленов, Формирование кольцевых световых пуль в вихревом пучке фемтосекундного излучения // Известия РАН. Серия физическая. 2019. Том 83, № 12. C. 1602–1608.

В Институте спектроскопии РАН и Московском государственном университете имени М.В. Ломоносова исследуют световые пули – одноцикловые волновые пакеты высокой интенсивности, экстремально сжатые в пространстве и времени при филаментации фемтосекундного лазерного излучения среднего ИК – диапазона в прозрачных диэлектриках в условиях аномальной дисперсии групповой скорости. Новым объектом исследования являются кольцевые световые пули с локализацией излучения в узких тонких кольцах, формирующихся в вихревых пучках в результате самовоздействия и интерференции светового поля оптического вихря.

В отличие от унимодального излучения, световое поле в оптическом вихре локализуется в цилиндрической области, диаметр и ширина которой сокращаются при образовании световой пули. В излучении на длине волны 1800 нм длительность кольцевой световой пули не превышает 10 фс, ее диаметр составляет около десяти, ширина – пяти длин волн оптического излучения, пиковая интенсивность превышает 50 ТВт/см². Кольцевые световые пули открывают новые перспективы в микрооптике (микроманипулировании поглощающими частицами и микромодификации оптических материалов).

Е.С. Сергиенко, С.Ю. Янсон, А.А. Костеров, П.В. Флоренский, Н.С. Овчинникова, П.В. Харитонский, А.М. Кульков, Железосодержащие микровключения в иргизитах // Известия РАН. Серия физическая. 2019. Том 83, № 11. C. 1446–1454.

Статья посвящена актуальному направлению исследований в области наук о Земле — изучению импактных стекол астроблемы Жаманшин (Казахстан), уникального метеоритного кратера.

Авторы статьи, сотрудники Санкт-Петербургского государственного университета, представляют различные научные специальности, включая физику, геофизику, геологию и минералогию. Особо следует отметить участие в представленном исследовании Павла Васильевича Флоренского, профессора Российского государственного университета нефти и газа имени И.М. Губкина, который стоял у истоков изучения Жаманшина и посвятил этим работам более 50 лет.

Обширная экспериментальная база Научного парка Санкт-Петербургского университета охватывает самые современные методы исследования вещества. Благодаря этому авторами были получены новые результаты и показано существование микронных и субмикронных кристаллических железосодержащих минералов в иргизитах: сфероидов, скелетных агрегатов, кристаллов необычной структуры и сложного состава. Полученные данные позволяют значительно расширить представления об эволюции Земли, процессах импактитообразования, генезисе и онтогенезе железосодержащих фаз горных пород, а также о процессах кристаллизации и стабилизации магнитных наночастиц, применяющихся в области технологических разработок новых магнитных материалов.