Основные результаты фундаментальных и прикладных исследований за 2014 год

 

Отделение нанотехнологий и информационных технологий 

Секция нанотехнологии, нанобиотехнологии, наносистемы, наноматериалы, нанодиагностика, наноэлектроника и нанофотоника

43. Нанотехнологии, нанобиотехнологии, наносистемы, наноматериалы, нанодиагностика, наноэлектроника и нанофотоника

Предложена модель прыжковой проводимости дырок в валентной зоне в квазидвумерной проводящей системе, образованной нанокристаллитами внутри одной кристаллографической плоскости полупроводника. Модель объясняет впервые обнаруженный характер температурных изменений сопротивления в образце с нанокристаллитами CrSi₂ в плоскости Si(111), высокую подвижность носителей при 20-30 К и гигантское магнетосопротивление, уменьшающееся с ростом температуры. 

Yu. F. Comnik, V.V. Andrievskii, I.B. Berkutov, I.G. Mirzoev, N.G. Galkin, D.L. Goroshko. The 2D conducting system formed by nanocrystallites CrSi₂ in the (111) plane of silicon: New object // Physica E: Low-dimensional Systems and Nanostructures. 2014. N.64. P.165-168. DOI: 10.1016/j.physe.2014.07.008

Рисунок. Изменение сопротивления (r(B)-r_o)/r_o в образце как функция магнитной индукции (В) при различных температурах: кривая 1–25 К, кривая 2–30 К, кривая 3–40 К. 

 

Разработан способ создания принципиально нового оптического элемента – волоконного микроаксикона, способного собирать лазерное излучение в остросфокусированные  Бесселевы пучки. На основе этого элемента реализован метод прямого  лазерного наноструктурирования поверхности металлических пленок, позволяющий создавать устройства нанофотоники и плазмоники с рекордным разрешением до 40 нм, которое ранее было достигнуто только в системах электронной и ионной литографии.

A. Kuchmizhak, S. Gurbatov, O. Vitrik, Yu. Kulchin. Fabrication of porous metal nanoparticles and microbumps by means of nanosecond laser pulses focused through the fiber microaxicon. Optics Express. 2014. N22. P.19149-19156.

 

Рисунок. Электронное изображение используемого волоконного микроаксикона. (а) - распределение интенсивности лазерного излучения в фокусе микроаксикона; (б) -зависимость геометрических размеров основных типов лазерно-индуцированных структур, сформированных единичным наносекундным импульсом на поверхности и в объеме пленок Au/Pd с толщинами 40, 80 и 160 нм, от энергии в импульсе; (в) - электронное изображение надписи «IACP», состоящей из микровыпуклостей на поверхности пленки Au/Pd толщиной 80 нм

 

Разработана уникальная лазерная система измерения массы нанообъектов, основанная на высокоточной регистрации наномасштабных колебаний микрокантилевера, осуществляемой с помощью адаптивного голографического интерферометра. Экспериментально продемонстрирована возможность снижения размеров кантилевера до суб-микрометровых масштабов (0,3x0,3x15,0 мкм³; см. вставку на рисунке), что позволяет повысить чувствительность системы до уровня 2,6x10¹⁷ Гц/г и тем самым снизить  порог детектирования массы до 5,8x10^–17 г.

R.V. Romashko, Y.N. Kulchin, T.A. Efimov. Resonance micro-weighing of sub-picogram mass with use of adaptive interferometer // Measurement Science Review. 2014. V.14. N.3. P.160-163.

Рисунок. Зависимость уровня детектируемого сигнала от положения сканирующего лазерного пучка на чувствительном элементе – суб-микромасштабном кантилевере (см. фото на вставке): А –  пучок не попадает на кантилевер (1); В – пучок попадает на кантилевер (1); С – пучок попадает на основание (2) кантилевера 

 

На основе экспериментальных данных и результатов расчетов были определены атомное строение и электронные свойства поверхностной фазы Si(111)2x2-In, которая имеет сотовую структуру, образованную тримерами и мономерами In на поверхности Si(111), и проявляет полупроводниковые свойства. Эта фаза представляет собой промежуточную структуру на пути формирования сверхпроводящей пленки In атомной толщины. 

J.P. Chou, C.M. Wei, Y.L. Wang, D.V. Gruznev, L.V. Bondarenko, A.V. Matetskiy, A.Y. Tupchaya, A.V. Zotov and A.A. Saranin. Atomic structure and electronic properties of In/Si(111)2x2 surface // Physical Review B, 2014. Vol. 89. Iss. 15. P.155310-5. DOI: 10.1103/PhysRevB.89155310.

 

Рисунок. (а) Экспериментальное и (б) рассчитанное микроскопические изображения поверхности Si(111)2x2-Inс наложенными на них схематическими изображениями ее атомной структуры. (в) Сопоставление экспериментального спектра этой фазы, полученного методом фотоэлектронной спектроскопии с угловым разрешением, и результатов расчетов ее электронной зонной структуры

 

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

Впервые разработана и исследована модель динамики генетической структуры и численности популяции, когда ее адаптивные параметры кодируются одним плейотропным генным локусом. Показано, что эволюционный рост популяционных параметров может быть немонотонным, со значительными флуктуациями; причем может происходить даже стабилизация популяционных показателей (таких как численность и генетический состав возрастных классов). 

Жданова О.Л., Фрисман Е.Я. Моделирование отбора по плейотропному локусу в двухвозрастной популяции // Генетика. 2014. Т. 50, № 8. С. 996-1008 (ИАПУ ДВО РАН, ИКАРП ДВО РАН).

Рисунок. Распределение средней выживаемости (с) старшей возрастной группы и репродуктивного потенциала популяции (w), относительной численности старшего возрастного класса (y), а также частоты генотипа Аа в старшей возрастной группе в предельных траекториях модели с ростом выживаемости генотипа Аа репродуктивной группы

 

Разработан численный метод и реализован параллельный алгоритм для многопроцессорных вычислительных систем решения некорректно поставленных задач регуляризации большой размерности с недифференцируемыми стабилизирующими функционалами. Новизна и научная значимость подхода заключается в эквивалентном преобразовании задачи негладкой оптимизации к двойственной квадратичной задаче с линейными ограничениями и применении параллельной модификации нелинейного метода Якоби для ее решения. Практическая значимость результата – решение интегральных уравнений Фредгольма 1 рода для прикладных задач математической геофизики, распознавания образов.

Величко А.С. Двойственный алгоритм для задач регуляризации с недифференцируемыми стабилизаторами // Вычислительные технологии. 2014. №2. С. 14-20.

Рисунок. Модельное и восстановленное решение для классической тихоновской регуляризации (а) и регуляризации с недифференцируемым стабилизатором (б)

 

Разработан метод визуальной навигации подводного робота по последовательности стереоизображений. Особенностью метода является применение адаптивной методики расчета траектории и интеграция  в вычислительную схему угловых измерений бортовой навигационной системы.  Эти модификации дают дополнительное существенное повышение точности навигации в сравнении с традиционным вариантом визуальной одометрии.  Получены оценки эффективности метода.

Бобков В.А., Роньшин Ю.И., Кудряшов А.П., Машенцев В.Ю.  3D SLAM по стереоизображениям // Программирование. 2014. №4. С.5-12.

Рисунок.  Навигация подводного робота по  стереоизображениям

 

Построен стационарный вариант вертикальной модели распределения фитопланктона в столбе воды под единицей водной поверхности. По данным спутникового дистанционного зондирования поверхности моря оценивается содержание хлорофилла в толще воды. Зависимость вырабатываемой первичной продукции от общего объема хлорофилла и факторов внешней среды описана функционально. Построены оценки распределения годовой первичной продукции в Японском море за 2009-2012 гг.

Пак С.Я., Абакумов А.И. Модельный способ восстановления состояния фитопланктона в вертикальном столбе воды по спутниковым данным о поверхностном слое // Информатика и системы управления. 2014. № 3(41). С.23-32.

Рисунок. Точечные оценки годовой первичной продукции Японского моря (гC м^-2год^-1)

 

Отделение физических наук

8. Актуальные проблемы физики конденсированных сред, в том числе квантовой макрофизики, мезоскопики, физики наноструктур, спинтроники, сверхпроводимости

Предложен аналитический метод функциональной теории возмущения формы поверхности  нанообъектов  для описания квантовых характеристик систем зарядов в нанообъемах произвольной формы. Впервые, аналитически показано, что  плотность вероятности местонахождения частицы  более чувствительна к искажению формы нанобъема, чем ее энергетический спектр и плотность квантовых состояний. Даже малые отклонения от сферической формы приводят к перемешиванию чистых состояний, размытию  плотности вероятности, снимают вырождение по магнитному квантовому числу. Эти изменения влияют на оптические, поверхностные и контактные свойства, на скорость электронного транспорта в наноструктурах.

V.P. Dzyuba, Yu.N. Kulchin, and V.A. Milichko  Quantum_Size States of the Deformed Nanospher // Physics of the Solid State. 2014. Vol.56. No.2. P.359-366.

Рисунок 1. Форма наночастиц и отношение энергии квантово-размерных состояний заряда  них и в сферической частице радиуса R₀ для различных квантовых чисел l и m

Рисунок 2. Нормированные значения поправки плотности вероятности местоположения частицы (а), вызванное возмущением формы поверхности наносферы (рис.1, А), к плотности вероятности местоположения частицы в сферическом объекте (b) для первого возмущенного состояния

 

Разработана стратегия создания низкоразмерных материалов с электронными спин-расщепленными металлическими состояниями на кремнии путем формирования двумерных сплавов. Эффективность этой стратегии продемонстрирована на примере формирования сплавов Bi-Na и Tl-Pb на поверхности Si(111). Подобные сплавы открывают возможность реализации значительного спинового транспорта в низкоразмерных системах на основе кремния.

D.V. Gruznev, L.V. Bondarenko, A.V. Matetskiy, A.A. Yakovlev, A.Y. Tupchaya, S.V. Eremeev, E.V. Chulkov, J.P. Chou, C.M. Wei, M.Y. Lai, Y.L. Wang, A.V. Zotov, A.A. Saranin. A strategy to create spin-split metallic bands on silicon using a dense alloy layer // Scientific Reports. 2014. Vol.4. Article number: 4742. DOI: 10.1038/srep04742, 5 P.

Рисунок. Трансформация неметаллических спин-расщепленных электронных состояний S1 (S1') на поверхности Bi/Si(111) в металлические спин-расщепленные состояния Σ1 (Σ1') при добавлении атомов Na и формировании двумерного сплава Bi-Na

 

9. Физическое материаловедение: новые материалы и структуры, в том числе фуллерены, графены, другие наноматериалы, а также метаматериалы

Впервые обнаружен и исследован эффект обратимого изменения фотоиндуцированного коэффициента поглощения в нанокомпозите на основе квантовых точек сульфида кадмия, внедренных в оптически прозрачную силикатную матрицу (рисунок (а)), как реакции на воздействие ультрафиолетового излучения и величину его дозы (рисунок (б)). Обнаруженный эффект открывает возможности синтеза принципиально новых нелинейно-оптических наноматериалов для создания полностью оптических систем управления лазерным излучением.

Voznesenskiy S.S., Sergeev A.A., Galkina A.N., Kulchin Yu.N., Shchipunov Yu.A., Postnova I.V. Laser-induced photodynamic effects at silica nanocomposite based on cadmium sulphide quantum dots // Optics Express. Vol. 22. N 2. 2014. P. 2105-2110.

 

Рисунок. а) Фотография люминесцирующего нанокомпозита; б) изменение выходной мощности лазерного излучения λ=633 нм прошедшего через нанокомпозит при воздействии коллинеарного модифицирующего излучения λ=405.9 нм и зависимость от его дозы

 

11. Фундаментальные основы лазерных технологий, включая обработку и модификацию материалов, оптическую информатику, связь, навигацию и медицину

Впервые в России создана экспериментальная установка фемтосекундного лидара для исследования газового и аэрозольного состава атмосферы с использованием титан-сапфирового лазера с чирпированным импульсом, что позволило достичь  максимальной дальности приема сигнала обратного рассеяния 11 км при зондировании  лазерными импульсами длительностью от 40 фс с центральными длинами волн 400 и 800 нм, частотой повторения импульсов до 1 кГц и средней мощностью 7 Вт.

О.А. Букин, М.Ю. Бабий, С.С. Голик, А.А. Ильин, А.М. Кабанов, А.В. Колесников, Ю.Н. Кульчин, В.В. Лисица, Г.Г. Матвиенко, В.К. Ошлаков, К.А. Шмирко. Лидарное зондирование атмосферы с использованием гигаваттных лазерных импульсов фемтосекундной длительности // Квантовая электроника. 2014. 44 (6). С.563-566.

Рисунок. Вертикальные профили ослабленного отношения рассеяния для различных юстировок лидара. Длина волны лазера 800 нм, зенитный угол 65 градусов 

 

Отделение энергетики, машиностроения, механики и процессов управления

24. Теория систем, общая теория управления сложными техническими и другими динамическими системами, в том числе единая теория управления, вычислений и сетевых связей, а также теория сложных информационно-управляющих систем, групповое управление и распределенное управление

Разработан метод синтеза систем контурного управления для автоматической настройки параметров программных сигналов движения подводных аппаратов по произвольным пространственным траекториям на предельно высокой скорости при сохранении заданной динамической точности перемещения. В отличие от известных указанные системы управляют не самими аппаратами, а их программными сигналами. Это позволяет значительно упростить практическую реализацию устройств управления, но, как показали результаты моделирования и экспериментальных исследований, обеспечить быструю реализацию различных миссий без снижения качества выполняемых операций.

Филаретов В.Ф., Юхимец Д.А., Щербатюк А.Ф., Мурсалимов Э.Ш., Туфанов И.Е. Новый метод контурного управления АНПА // Мехатроника, автоматизация, управление. 2014. №8. С.46-56 (ИАПУ ДВО РАН, ИПМТ ДВО РАН)

Рисунок. Структурная схема высокоточной системы контурного управления высокоскоростным движением подводного аппарата. БОТД – блок определения точности движения подводного аппарата по заданной траектории; СФПС – система формирования программных сигналов; РРД – регулятор режима (скорости) движения подводного аппарата; СУ – типовые следящие системы управления соответствующими каналами подводного аппарата

 

23. Механика деформирования и разрушения материалов, сред, изделий, конструкций, сооружений и триботехнических систем при механических нагрузках, воздействии физических полей и химически активных сред

На примере решений ряда последовательности одномерных квазистатических задач, описывающих процессы деформирования материала полого шара, исследовано поведение материала, подчиняющегося вязкоупругой модели Фойгта. Получены аналитические решения задач о вязкоупругом деформировании, зарождении и развитии пластического течения при увеличении давления на внешней границе шара. Рассмотрен также процесс разгрузки при медленном снятии нагружающего давления. Рассчитаны поля напряжений, упругих и пластических деформаций в материале сферического слоя, закономерность продвижения упругопластической границы, уровень и распределение остаточных напряжений. 

Буренин А.А., Ковтанюк Л.В., Терлецкий И.А. О необратимом деформировании и последующей разгрузке сферического вязкоупругопластического слоя // Известия РАН. Механика твердого тела. 2014. № 3. С. 44-55.

Рисунок. Распределение безразмерных остаточных напряжений в зависимости от безразмерного радиуса  по сферическому слою

 

22. Механика жидкости, газа и плазмы, многофазных и неидеальных сред, механика горения, детонации и взрыва

Посредством численного эксперимента изучено влияние гравитации на распространение самоподдерживающихся волн горения твердых пористых сред. Обнаружено, что гравитационное поле внутри пористого горючего объекта и перепад давлений на границах этого объекта, вызванный действием силы тяжести на окружающий воздух, приводят к противоположным конкурирующим эффектам: направления или режимы распространения вызванных ими волн горения различаются. 

Lutsenko N.A., Levin V.A. Effect of Gravity Field and Pressure Difference on Heterogeneous Combustion in Porous Media // Combustion Science and Technology. 2014. Vol. 186. Issue 10-11. P.1410-1421.

 

Рисунок. Пример распространения волны горения в пористом объекте с гравитационным полем внутри и отсутствием перепада давлений на границах объекта

 

80. Научные основы разработки методов, технологий и средств исследования поверхности и недр Земли, атмосферы, включая ионосферу и магнитосферу Земли, гидросферы и криосферы; численное моделирование и геоинформатика: инфраструктура пространственных данных и ГИС- технологии

Разработан метод регистрации слабых сейсмоакустических сигналов с использованием волоконно-оптических деформометров на основе интерферометра Маха-Цендера. Эксперименты показали, что метод позволяет создавать мобильные быстроразвертываемые измерительные системы, предназначенные для решения широкого круга сейсмологических, геофизических и океанологических задач.

Каменев О.Т., Кульчин Ю.Н., Петров Ю.С., Хижняк Р.В. Применение волоконно-оптического интерферометра Маха-Цендера для создания длиннобазовых деформометров // Письма в ЖТФ. 2014. Т.40. №3. C.49-56.

 

Рисунок. Спектрограмма акустического сигнала, регистрируемого при движении крупнотоннажного теплохода (1) и быстроходного катера (2)