Отделение физических наук

Секция Общей физики и астрономии

 

Переход Лифшица в соединении Gd_xYb_1-xPb₃ толщиной в один атом на Si(111)

Установлено, что лантаноиды Gd и Yb в сплаве с моноатомным слоем Pb на подложке Si(111) образуют соединения, имеющие одинаковую кристаллическую структуру. Возможность создания двумерного твердого раствора на их основе позволяет управлять положением уровня Ферми, а, следовательно, изменять топологию поверхности Ферми за счет перехода Лифшица (рисунок 1), а в конечном итоге управлять физическими свойствами системы. В частности, сопротивление системы Gd_xYb_1–xPb₃/Si(111) можно контролируемо изменять более, чем на порядок величины.

Рисунок 1. Изменение топологии поверхности Ферми за счет перехода Лифшица в моноатоном слое соединения Gd_xYb_1–xPb₃ на поверхности Si(111) при изменении х от 1 до 0

 

Vekovshinin Yu.E., Bondarenko L.V., Tupchaya A.Y., Mihalyuk A.N., Denisov N.V., Gruznev D.V., Zotov A.V., Saranin A.A. Lifshitz transition in a single-atom thick GdxYb1-xPb3 kagome compound on Si(111) // Nano Letters. 2024. Vol. 24. Is. 32. P. 9931-9936. DOI: 10.1021/acs.nanolett.4c02420.

 

Фемтосекундная лазерная печать структурных цветовых изображений высокого разрешения

Разработан метод прямой фемтосекундной (фс) лазерной печати структурных цветовых изображений на поверхности трехслойных металл-диэлектрик-металлических покрытий (рисунок 2). Метод основан на воздействии на верхний золотой слой покрытия остросфокусированных фс лазерных импульсов и позволяет не только изготавливать видимые в отраженном свете многоцветные структурные изображения с латеральным разрешением достигающим 50000 точек на дюйм, но и записывать скрытые изображения, визуализация которых возможна только при определенной ориентации скрещенных поляризаторов. Разработанный метод может найти применение в сверхплотной записи оптической информации, прецизионной маркировке, а также создании защитных и скрытых меток для борьбы с контрафактной продукцией.

Рисунок 2. (а) Схематическое изображение процесса лазерной печати структурных цветовых изображений на поверхности верхнего золотого слоя (толщиной 45 нм) трехслойной структуры Au-Al₂O₃-Ag. (б) Электронное и оптическое изображения фрагмента напечатанного изображения, демонстрирующие достижения латерального разрешения в 50000 точек на дюйм. (в) Электронный и оптический снимки изготовленного методом лазерной печати структурного изображения, содержащего скрытую информацию, визуализация которой становится возможной только при определенной ориентации скрещенных поляризаторов (указано стрелками на нижнем снимке)

 

Lapidas V., Cherepakhin A., Storozhenko D., Gurevich E.L., Zhizhchenko A., Kuchmizhak A.A. Surface Coloring and Plasmonic Information Encryption at 50000 dpi Enabled by Direct Femtosecond Laser Printing // Nano Letters. 2024. Vol. 24. Is. 40. P. 12590–12596. DOI: 10.1021/acs.nanolett.4c03576.

 

Формирование квази-одномерных спин-поляризованных состояний в ультратонких плёнках Bi на InAs(111), перспективных  для применения в спинтронике

Установлено, что синтез ультратонких пленок Bi на поверхности InAs(111) приводит к образованию квази-одномерных спин-поляризованных состояний, что делает эту систему привлекательной для реализации уникального режима спинового транспорта и характеризует ее, как перспективный материал спинтроники, синтезированный на пределе двумерной толщины.

Рисунок 3. (а) СТМ изображение поверхности InAs(111)-2×2, покрытой субмонослойной плёнкой Bi, (б) электронные свойства поверхности Bi/InAs(111)-2√3×3 в соответствии с фотоэлектронными измерениями и расчётной зонной структурой,
(в) картина зарядовой плотности, спроецированная на атомную структуру

 

Mihalyuk A.N., Bondarenko L.V., Tupchaya A.Y., Gruznev D.V., Solovova N.Yu., Golyashov V.A., Tereshchenko O.E., Okuda T., Kimura A., Eremeev S.V., Zotov A.V., Saranin A.A. Emergence of quasi-1D spin-polarized states in ultrathin Bi films on InAs(111)A for spintronics applications // Nanoscale. 2024. Vol.16. Is.3. P.1272-1281. DOI: 10.1039/D3NR03830K.

 

Отделение нанотехнологий и информационных технологий

Секция Нанотехнологий

 

Германиевый фотодетектор с прозрачным проводящим электродом из полуметаллического дигерманида кальция

Изготовлен германиевый фотодетектор (ФД) типа Шоттки с тонкой плёнкой полуметаллического дигерманида кальция (CaGe₂), перфорированной методом лазерной абляции, в качестве верхнего прозрачного электрода. Электрод демонстрирует оптическое пропускание не менее 90% в спектральном диапазоне 500-7000 нм и слоевое сопротивление 20 Ом/кв (рисунок 4). Полученный ФД превосходит коммерчески доступные аналоги как по величине фотоотклика, так и по рабочему спектральному диапазону.

Рисунок 4. Внешний вид прозрачного проводящего электрода на основе CaGe₂ после лазерной перфорации с указанием оптической прозрачности и слоевого сопротивления, а также схематичное изображение и сравнение рабочих характеристик изготовленных ФД

 

Il’yaschenko V.M., Pavlov D.V., Balagan S.A., Gerasimenko A.V., Tarasenko N.V., Kuchmizhak A.A., Shevlyagin A.V. Alternative Look at Calcium Digermanide CaGe₂: A High-Performing Semimetal Transparent Conducting Material for Ge Optoelectronics // ACS Applied Electronic Materials. 2024. Vol. 6. Is. 2. P. 1373-1384. DOI: 10.1021/acsaelm.3c01666.

 

Фотонная эпигенетическая активация биосинтеза полифенолов в клеточных культурах и растениях

Разработан метод фотонной эпигенетической активации биосинтеза полифенолов в клеточных культурах и растениях. Показано что, используя спектрально-модулируемое освещение, можно увеличить продуктивность клеточных культур при производстве вторичных метаболитов до 8 раз. Синтезированные полифенолы обладают сильными антиоксидантными свойствами и являются ценным сырьем для производства лекарств. Разработанный природоподобный метод является новым в мировой практике и позволяет значительно удешевить производство полифенольных соединений для использования в фармацевтической промышленности.

Рисунок 5. Иллюстрация продуктивности клеточной культуры Mertensia maritima (L.) S.F.Gray при воздействии спектрально-модулируемого освещения

 

Veremeichik G. N., Grigorchuk V. P., Subbotin E. P., Kozhanov S. O., Tikhonova O. A., Brodovskaya E. V., Silantieva S. A., Subbotina N. I., Yaroshenko Y. L.; Bulgakov V. P., Kulchin Y. N. Modulation of Light Conditions and Root Nutrition Can Improve the Growth and Biosynthesis of Polyphenols in Ocimum basilicum L. Plant. Horticulturae, 2024, https://doi.org/10.20944/preprints202411.1008.v1.

 

Отделение нанотехнологий и информационных технологий РАН

Секция информационных технологий и автоматизации

 

Обследование объектов подводной промышленной инфраструктуры с использованием автономного необитаемого подводного аппарата (АНПА) по стереоизображениям

Разработана технология распознавания объектов подводного добычного комплекса (ПДК) и расчета движения АНПА в координатном пространстве ПДК на основе обработки стереоизображений (рисунок 6). Ее отличительными особенностями являются: методика формирования геометрической модели объекта по нескольким его видам, полученным в предварительно выполненной обзорной траектории; использование разнотипных характерных геометрических элементов при распознавании объектов; оригинальные алгоритмы сопоставления с априорной моделью объекта визуальных данных, получаемых с инспекционной траектории.

               

Рисунок 6. Распознавание объектов ПДК:
а) по стереоизображениям с использованием нескольких видов объекта обзорной траектории (показаны 3 вида);
б) распознавание объекта по точечным особенностям посредством сравнения изображений модельной и рабочей стереопары

 

Bobkov V., Kudryashov A. A Method for Recognition and Coordinate Reference of Autonomous Underwater Vehicles to Inspected Objects of Industrial Subsea Structures Using Stereo Images // Journal of Marine Science and Engineering. 2024. V. 12. Is. 9. P. 1514. DOI:10.3390/jmse12091514.

 

Отделение энергетики, машиностроения, механики и процессов управления

Секция механики

 

Численный анализ эффективности теплозащитного респиратора на основе гранулированного материала с фазовыми переходами

С использованием оригинальной численной модели, реализованной в виде решателя открытого программного пакета OpenFOAM, показана способность теплозащитного респиратора на основе серийно выпускаемого гранулированного материала с фазовыми переходами охлаждать горячий вдыхаемый воздух и защищать органы дыхания человека от ожогов во время пожара в течение времени, необходимого для эвакуации. В частности, гранул массой 130 г достаточно для охлаждения воздуха со 177℃ до температуры менее 50℃ в течение 10 минут (рисунок 7). Это исследование открывает путь к созданию комбинированных респираторов, включающих в себя охлаждающий элемент вместе с традиционным газодымозащитным фильтром, которые обеспечат защиту как от высоких температур, так и от токсичных продуктов горения.

Рисунок 7. Пример зависимости предельного времени работы респиратора от массы гранулированного материала с фазовым переходом (МФП) при максимально допустимой температуре выходящего воздуха равной 40℃ (1), 50℃ (2), 60℃ (3), 70℃ (4)

Fetsov S.S., Lutsenko N.A. Numerical analysis of thermal performance of breathing air cooler based on granular phase change material // International Journal of Heat and Mass Transfer. 2024. Vol. 223. P. 125288. DOI: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2024.125288.

 

Отделение энергетики, машиностроения, механики и процессов управления РАН

Секция проблем машиностроения и процессов управления

 

Имитационное моделирование для задач мониторинга и управления технологическими процессами нефтепереработки

Разработана универсальная стратегия использования имитационной модели для определения “чувствительных” зон установки, в которых рекомендуется размещать дополнительные физические датчики температуры – термопары – для повышения качества получаемого продукта (рисунок 8). Внедрение таких рекомендаций при эксплуатации установки, с одной стороны, позволит улучшить точность прогнозирующих моделей (виртуальных анализаторов – ВА), а с другой – повысить надежность управления процессом нефтепереработки в условиях изменяющегося состава сырья.

Рисунок 8. Имитационное моделирование для задач мониторинга и управления технологическими процессами нефтепереработки

 

Shevlyagina S.A. Simulation of the physical temperature probes for soft sensor design under feed composition changes for naphtha plant // Chemical Engineering Science. 2024. Vol. 296. P. 120222. DOI: 10.1016/j.ces.2024.120222.

 

Метод построения интервальных наблюдателей для оценивания величин внешних возмущений, действующих на динамические системы

Предложен метод построения интервальных диагностических наблюдателей для оценивания величин неизвестных внешних возмущений, действующих на динамические системы, описываемые дифференциальными уравнениями. Для значительного упрощения реализации создаваемых систем, а также ослабления условий необходимости жесткого согласования всех их частей и требований к обеспечению их минимальной фазовости предлагается использовать дополнительное согласование моделей объектов, имеющих минимально допустимую размерность. Синтезируемые в реальном масштабе времени интервальные наблюдателями позволяют получить точные оценки всех возмущений в используемых адаптивных системах управления. Результаты моделирования подтвердили работоспособность и высокую эффективность предложенного метода.

Рисунок 9. Графики оценки величины внешнего возмущения:  – внешнее возмущение, действующее на систему;  – оценка величины внешнего возмущения, полученная интервальным наблюдателем;  – ошибка оценивания

Zhirabok A., Zuev A., Filaretov V. Interval observer design for nonlinear discrete-time dynamic systems // International Journal of Adaptive Control and Signal Process. 2024. V. 38. No 6. P. 2045-2055. DOI: 10.1002/acs.3789.