Выбор редакции

Редакция журнала «Известия РАН. Серия физическая» совместно с ИКЦ «Академкнига» ежемесячно c № 11, том 83 (2019) размещает в открытом доступе по одной статье из каждого опубликованного номера журнала. Надеемся, что выбранные статьи будут интересны широкому кругу читателей.


том 84, 2020

№ 5

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. Таким образом, новая парадигма спинового обмена позволяет ставить и решать совершенно новые задачи и дает импульс для дальнейшего развития науки.


№ 4

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 им. Г.Н. Флерова 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.


№ 3

А.П. Низовцев, С.Я. Килин, Микроволны для эффективного манипулирования ядерными спинами в системах NV13C 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.


№ 2

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.


№ 1

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.


том 83, 2019

№ 12

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).


№ 11

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.