2015 год
Основные результаты фундаментальных и прикладных исследований за 2015 год
Отделение нанотехнологий и информационных технологий
Секция нанотехнологии, нанобиотехнологии, наносистемы, наноматериалы, нанодиагностика, наноэлектроника и нанофотоника
8. Актуальные проблемы физики конденсированных сред, в том числе квантовой макрофизики, мезоскопики, физики наноструктур, спинтроники, сверхпроводимости
Обнаружен теоретически и экспериментально исследован эффект существенного увеличения (в 100 раз) энергии связи основного состояния экситона в диэлектрических квантовых точках из оксида алюминия. Установлено, что в запрещенной зоне квантовой точки возникает зона основного и возбужденных состояний непрямых экситонов, формирующая спектры поглощения наносистемы, которые экспериментально наблюдаемы при комнатных температурах. Обнаруженный эффект увеличения энергии связи экситона открывает возможность использования диэлектрических наногетероструктур в качестве активной области нанолазеров, работающих на экситонных переходах при комнатных температурах.
С.И. Покутний, Ю.Н. Кульчин, В.П. Дзюба. Энергии связи экситона из пространственно разделенных электрона и дырки в диэлектрических квантовых точках // Физика и техника полупроводников. 2015. Том 49. Вып. 10. С. 1255-1359.
Milichko V.A., Kulchin Yu., Dzuyba V.P. Dielectrics: optics of dielectric Nanoobjects and Nanosystems / Concise Encyclopedia of Nanotechnology. 2015. P.870. ISBN 978-1466-58034-3.
9. Физическое материаловедение: новые материалы и структуры, в том числе фуллерены, нанотрубки, графены, другие наноматериалы, а также метаматериалы
Разработана принципиально новая технология интегрирования оптических наноантенн и плазмонных фокусирующих элементов в составе единой гибридной функциональной наноструктуры. Технология основана на последовательном облучении металлизированной поверхности кремниевой подложки двумя фемтосекундными импульсами. Гибридные наноантенны предназначены для многократного усиления локализованных электромагнитных полей при решении задач биоидентификации, сверхразрешающей спектроскопии, увеличения эффективности элементов солнечных батарей и других задач.
Рисунок 1. Двухэтапная лазерная запись дифракционных решеток вблизи микроструктур.
(а) СЭМ-изображение поверхности пленки, облученной одиночными импульсом с плотностью энергии F0 ≈ 3 Дж/см2 вдоль направления, указанного стрелкой (I), а затем вторым пространственно-смещенным на расстояние ∆x вдоль оси Х импульсом с такой же плотностью энергии;
(б) АСМ-изображение пары микроотверстий со сформированной в одном из них дифракционной решеткой с высотой гребней ~17 нм, а также поперечное сечение решетки, вдоль направления, указанного зеленой стрелкой;
(в) СЭМ-изображение поверхности пленки, облученной одиночными импульсом с F0≈3 Дж/см2 вдоль направления (I), а затем вторым пространственно-смещенным на расстояние ∆x=3 мкм вдоль оси Х и ∆y=3 мкм вдоль оси Y импульсом с такой же плотностью энергии;
(г) СЭМ-изображение поверхности пленки Au, облученной одиночными импульсом с пиковой плотностью энергии F0≈ 0.3 Дж/см2 вдоль направления (I), а затем вторым импульсом, смещенным ∆x=2 мкм при F0≈ 0.25 Дж/см2 направления (II).
Белая стрелка указывает направление поляризации падающего излучения
A.A. Kuchmizhak, A.A. Ionin, S.I. Kudryashov, S.V. Makarov, A.A. Rudenko, Yu.N. Kulchin, O.B. Vitrik, T.V. Efimov // Optics Letters 40, 2015. P. 1687-1690.
Обнаружено, что фотодиод со встроенными в кремниевую матрицу нанокристаллами полупроводникового дисилицида железа демонстрирует чувствительность около 10 мА/Вт и внешнюю квантовую эффективность порядка 1% на длине волны 1300 нм при комнатной температуре. Полученный результат позволяет расширять рабочий диапазон обычных кремниевых фотодетекторов в ближнюю инфракрасную область спектра до 1700 нм и более чем в сто раз увеличить их фотоответ.
Рисунок 2. Спектр фотоответа и внешней квантовой эффективности диода со структурой p+-Si/p-Si/нанокристаллы_β‑FeSi2/n-Siи обычного кремниевого диода. Измерения сделаны при комнатной температуре
Shevlyagin A.V., Goroshko D.L., Chusovitin E.A., Galkin K.N., Galkin N.G., Gutakovskii A.K. Enhancement of the Si p-n diode NIR photoresponse by embedding beta-FeSi2 nanocrystallites // Scientific Reports. 2015. Vol 5. Paper number 14795. ISSN 2045-2322.
Секция информационных технологий и автоматизации
35. Когнитивные системы и технологии, нейроинформатика и биоинформатика, системный анализ, искусственный интеллект, системы распознавания образов, принятие решений при многих критериях
Установлено, что попадание планктона в топографический вихрь над подводной горой приводит к существенному перераспределению вещества в водной экологической системе и возникновению сложных динамических режимов, определяемых резонансными взаимосвязями внутренних колебательных процессов в экосистеме и внешними колебательными воздействиями на вихревые потоки.
Рисунок 3. Распределение фитопланктона (слева) и зоопланктона (справа) в области, ограниченной самопересекающейся сепаратрисой, в момент времени, соответствующий 64 периодам пульсации вихря при частоте ω= 0.5
Абакумов А.И., Израильский Ю.Г., Фрисман Е.Я. Сложная динамика планктона в топографическом вихре // Математическая биология и биоинформатика. 2015. Т. 10. № 2. С. 416-426.
A. Abakumov, Yu. Izrailsky, S. Park. Functioning of the phytoplankton in seas and estimates of primary production for aquatic ecosystems // Developments in Environmental Modelling. 2015. V. 27. P. 339-349.
Разработана двухуровневая модель сложноструктурированных информационных единиц, соответствующая метафоре анкетирования, в соответствии с которой любая информация связана с метаинформацией, по которой она формируется. Данная модель устраняет недостатки систем извлечения знаний, основанных на объектно-ориентированной парадигме представления информации, и может быть положена в основу средств редактирования сложноструктурированной информации в привычной для ее носителей системе понятий.
Рисунок 4. Орграф метаинформации для баз наблюдений в различных разделах медицины
Грибова В.В., Клещев А.С., Москаленко Ф.М., Тимченко В.А. Двухуровневая модель сложноструктурированных информационных единиц, соответствующая метафоре анкетирования // Научно-техническая информация. Сер. 2. 2015. № 10. С. 1-10.
Gribova V. V., Kleshchev A. S., Moskalenko F. M., Timchenko V. A. A Twolevel Model of Information Units with Complex Structures that Correspond to the Questioning Metaphor // Automatic Documentation and Mathematical Linguistics. 2015. Vol. 49. No. 5. P. 172–181.
39. Архитектура, системные решения, программное обеспечение, стандартизация и информационная безопасность информационно-вычислительных комплексов и сетей новых поколений,системное программирование
Разработан программный комплекс ИРВИС (комплекс Интернет Разработки Виртуальных Интерактивных Сред). Его новизна по сравнению с аналогами заключается в том, что виртуальная среда автоматически генерируется по ее декларативному описанию, процесс разработки ориентирован на экспертов предметной области, средство разработки и реализованные с его помощью виртуальные среды предоставляется пользователям как облачные сервисы.
Рисунок 5. Визуальная разработка проекта в графическом редакторе комплекса
Грибова В.В., Федорищев Л.А. Программный комплекс для разработки облачных виртуальных сред // Программные продукты и системы. 2015. №2. С. 60-64.
Грибова В.В., Федорищев Л.А. Визуализация виртуальных сред в облачных сервисах // Научная визуализация. 2015. № 5.
Отделение физических наук
8. Актуальные проблемы физики конденсированных сред, в том числе квантовой макрофизики, мезоскопики, физики наноструктур, спинтроники, сверхпроводимости
Синтезировано двумерное соединение Tl-Pb толщиной в один атомный слой на поверхности кремния Si(111), которое проявляет уникальные свойства: гигантское спиновое расщепление поверхностных электронных состояний благодаря эффекту Рашбы и сверхпроводящие транспортные свойства при температурах ниже 2,5 К. Такая комбинация позволяет говорить об этом соединении как о перспективном материале сверхпроводящей спинтроники.
Рисунок 6. СТМ изображение высокого разрешения (5×5 нм2) поверхности (Tl, Pb)/Si(111), атомная структура соединения и температурная зависимость поверхностного сопротивления
A.V. Matetskiy, S. Ichinokura, L.V. Bondarenko, A.Y. Tupchaya, D.V. Gruznev, A.V. Zotov, A.A. Saranin, R. Hobara, A.Takayama, andS. Hasegawa. Two-dimensional superconductor with a giant Rashba effect: One-atom-layer Tl-Pb compound on Si(111) // Physical Review Letters. 2015. Vol.115. Iss.14. P. 147003(5).
Осуществлен рост эпитаксиальных пленок MnSe/Bi2Se3 и Bi2Se3/MnSe высокого кристаллического качества и резкими границами разделов. Результаты фотоэлектронной спектроскопии с угловым разрешением показали открытие энергетической щели порядка 90 мэВ для топологических состояний Bi2Se3 на границе раздела с MnSe, что открывает путь для исследования таких квантовых явлений как топологический магнитоэлектрический эффект и аномальный квантовый эффект Холла.
Рисунок 7. Спектры фотоэлектронной спектроскопии с угловым разрешением исходной пленки Bi2Se3 и пленки Bi2Se3, покрытой двумя бислоямиMnSe
A.V. Matetskiy, I.A. Kibirev, T. Hirahara, S. Hasegawa, A.V. Zotov, A.A. Saranin. Direct observation of a gap opening in topological interface states of MnSe/Bi2Se3 heterostructure // Applied Physics Letters. 2015. Vol. 107. No.9. P.091604-4.
9. Физическое материаловедение: новые материалы и структуры, в том числе фуллерены, графены, другие наноматериалы, а также метаматериалы
Создано упорядоченное двуслойное соединение с двумерным электронным газом и спиновым расщеплением на поверхности кремния, на основе Tl и Sn. Атомная структура представляет собой двуслойный атомный сэндвич на поверхности Si(111). Электронная структура соединения содержит две спин-расщепленных зоны поверхностных состояний, одна из которых неметаллическая, а вторая металлическая.
Рисунок 8. Структурная модель двумерного соединения Tl-Sn на поверхности Si(111) при покрытии Sn и Tl равными 1 МС и рассчитанный контур Ферми
D.V. Gruznev, L.V. Bondarenko, A.V. Matetskiy, A.Y. Tupchaya, A.A. Alekseev, C.R. Hsing, C.M. Wei, S.V. Eremeev, A.V. Zotov, andA.A. Saranin. Electronic band structure of Tl/Sn atomic sandwich on Si(111). PhysicalReviewB, 2015, Vol. 91, P. 035421.
Впервые установлена зависимость величины оптического отклика нанокомпозита на основе квантовых точек сульфида кадмия внедренных в оптически прозрачную силикатную матрицу на воздействие ультрафиолетового излучения от его поляризации, концентрации КТ и дозы экспозиции. Обнаружен эффект фотоиндуцированного изменения показателя преломления нанокомпозита и его зависимость от дозы экспозиции.
Voznesenskiy S.S., Sergeev A.A., Postnova I.V., Galkina A.N., Shchipunov Y.A., Kulchin Y. N. Dynamic laser-induced effects in nanocomposite systems based on the cadmium sulfide quantum dots in a silicate matrix // Opt. Exp. 2015. Vol. 23(4). P. 4415-4420.
10. Актуальные проблемы оптики и лазерной физики, в том числе достижение предельных концентраций мощности и энергии во времени, пространстве и спектральном диапазоне, освоение новых диапазонов спектра, спектроскопия сверхвысокого разрешения и стандарты частоты, прецизионные оптические измерения, проблемы квантовой и атомной оптики, взаимодействие излучения с веществом
Обнаружены новые светящиеся периодические «S» и конусовидные «C» структуры при филаментации в фокальной области линзы, генерируемой Ti:Sa лазером (800нм, до 1.1 мДж, 48 фс) в нормальной атмосфере. Показано присутствие интенсивного рассеяния в желто-зеленой области спектра под углом 900 к области филаменации. Высказано предположение, что этот эффект объясняется 4-х волновым смешением и рассеянием излучения суперконтинуума, авозникновение структур «C» и «S» связано со сферическим аберрациями фокусирующей системы. Синий цвет областей с и s объяснен излучением полос молекуламиазота.
Рисунок 9. Филаментация лазерного излучения
Ilyin, A.A., Golik, S.S., Shmirko, K.A., Absorption and emission characteristics of femtosecond laser plasma filaments in the air // Spectrochimica Acta - Part B Atomic Spectroscopy. 2015. Vol. 112. P. 16-22.
Отделение энергетики, машиностроения, механики и процессов управления
21. Общая механика, навигационные системы, динамика космических тел, транспортных средств и управляемых аппаратов, механика живых систем
Разработана математическая модель неклассической – не содержащей датчиков угловых скоростей – инерциальной навигационной системы (ИНС), корректируемой по внешней полной позиционной информации. Предложено устойчивое решение нетрадиционной задачи коррекции ИНС, включающей безгироскопную оценку вектора угловой скорости вращения объекта-носителя. Актуально для применения на высокоманёвренных наземных и аэрокосмических объектах в качестве бортового расширения пакета потребительских услуг спутниковой навигационной системы ГЛОНАСС.
Девятисильный А.С. Нейроморфное расширение бортовых функций ГЛОНАСС для подвижной технологической платформы // Журнал технической физики. 2015. №10. С. 5-8.
Девятисильный А.С., Числов К.А. Модель интегрированной навигационной системы для маневренного объекта // Авиакосмическое приборостроение. 2015. №9. С. 3-8.
22. Механика жидкости, газа и плазмы, многофазных и неидеальных сред, механика горения, детонации и взрыва
Обнаружены режимы течения газа через пористые объекты с внутренними источниками энерговыделения, при которых с ростом коэффициента теплопроводности твердой среды происходит аномальное повышение её общего разогрева и увеличение максимальной температуры. Таким образом, несмотря на то, что теплопроводность способствует дополнительному оттоку тепла от наиболее горячих областей, пренебрежение теплопроводностью твердой фазы при моделировании не всегда позволяет получить оценку сверху для реальных температур.
Левин В.А., Луценко Н.А. Неоднозначное влияние теплопроводности при движении газа через пористые среды с очагами энерговыделения // Доклады Академии наук. 2015. Т. 462, № 4. C. 418-421
23. Механика деформирования и разрушения материалов, сред, изделий, конструкций, сооружений и триботехнических систем при механических нагрузках, воздействии физических полей и химически активных сред
В рамках модели больших деформаций материалов с упругими, пластическими и вязкими свойствами получено решение последовательности связанных задач термоупругопластичности о зарождении и развитии течения среды в цилиндрической трубе в условиях меняющегося перепада давления и разогрева материала за счет трения о стенку трубы, и последующем торможении течения при медленном снятии нагрузки и остывании материала слоя. Указаны условия зарождения вязкопластического течения, закономерности продвижения по слою упругопластических границ, рассчитываются скорости течения, большие деформации, как необратимые, так и обратимые.
Буренин А.А., Ковтанюк Л.В., Панченко Г.Л. Неизотермическое движение упруговязкопластической среды в трубе в условиях изменяющегося перепада давления // Доклады Академии наук. 2015. Т. 464, № 3. С. 284–287.
Разработан новый вариант лучевого метода, адаптированный для задач ударной деформации твердого тела. Схема метода применена к задаче интенсивной осесимметричной сжимающе-сдвигающей деформации цилиндрического нелинейноупругого слоя. Наряду с построением лучевых рядов для первоначально возникающей системы ударных волн, получены лучевые разложения для отраженных волн. Особо важное значение имеет реализованная схема согласования лучевых рядов с новыми краевыми условиями внутри слоя, возникающими в момент столкновения падающих и отраженных волн.
Рагозина В.Е., Иванова Ю.Е. Лучевые аппроксимации для ударных волн упругой деформации осесимметричного типа в цилиндрическом слое // Сибирский журнал индустриальной математики. Новосибирск: Издательство Института математики им. С.Л. Соболева СО РАН, 2015. Т. 18, № 2 (62). С. 111-123.
31. Общая теория систем управления и информационно-управляющих систем, методы и средства коммуникационно-сетевого управления многоуровневыми и распределенными динамическими системами в условиях неполной информации
Предложен метод идентификации статических объектов с частично известной структурой на основе непараметрического подхода. Неизвестная часть модели (структура и параметры) объекта управления находится путем аппроксимации оптимальных преобразований входов, полученных на основе алгоритма чередующихся условных математических ожиданий. Метод распространяется на класс нелинейных статических объектов. Показана его эффективность в смысле снижения ошибки прогноза значений выходной переменной по сравнению с известными робастными М-оценивателями.
Рисунок 10. Прогнозные значения выхода объекта на основе идентифицируемых моделей
Torgashov A., Zmeu K. Nonparametric soft sensor evaluation for industrial distillation plant // Computer Aided Chemical Engineering. – 2015. – Vol. 37. pp. 1487 - 1492
Предложен метод автоматизации с помощью очувствленных роботов технологических операций по механической обработке композитных изделий без их жесткой фиксации. Для реализации предложенного подхода разработан метод построения интеллектуальных информационно-управляющих систем, позволяющих формировать и корректировать управляющую программу робота прямо в процессе механической обработки за счет введения дополнительные контуров, формирующих траектории движения рабочего инструмента с помощью информации, получаемой от системы стереоскопического зрения при наличии априорных знаний о CAD - модели обрабатываемого изделия.
Filaretov V., Yukhimets D., Zuev A., Gubankov A., Mursalimov E. The Automatization Method of Processing of Flexible Parts without their Rigid Fixation // Procedia Engineering.2015.Vol. 100.P.4–13.
Разработан метод синтеза многоканальной системы с самонастройкой по эталонной модели для управления движением автономного подводного аппарата. Получены и доказаны условия устойчивости процесса самонастройки и предложен новый закон формирования разрывных управляющих сигналов в виде функций координат и задающих воздействий, позволяющих обеспечить высокое качество управления при любых изменениях параметров аппарата в заданных пределах и значительно снизить нагрузку на его исполнительные элементы. Полученный закон управления может быть реализован с помощью достаточно простых технических средств и позволяет существенно расширить функциональные возможности всей системы в целом.
Лебедев А.В., Филаретов В.Ф. Самонастраивающаяся система с эталонной моделью для управления движением подводного аппарата// Автометрия. 2015. Т. 51. № 5. С. 42-52.
Построена математическая модель возникновения интегральной картины частичных разрядов (ЧР) в электрической изоляции высоковольтного оборудования на основе формализации цепочки аналитических связей между параметрами неоднородного электрического поля в активной области, параметрами изоляции, а также размерами и параметрами потенциальных дефектов. Показано, что интегральная картина частичных разрядов является суперпозицией явлений в отдельных включениях (потенциальных дефектах), которые, в свою очередь, представляют собой характерные серии ЧР.
Киншт Н.В., Петрунько Н.Н., Закономерности формирования интегральной картины частичных разрядов как множества квазидетерминированных процессов // Электро. 2015. №4. C.14-20.