Научно-исследовательская работа преподавателей факультета физики ВШЭ

Теплоемкость гидридов высокого давления, грант РНФ № 23-22-00361 (д.ф.-м.н. Антонов В.Е.)

Проект посвящен экспериментальному исследованию теплоемкости моногидридов и монодейтеридов восьми d-металлов VI-VIII групп таблицы Менделеева (Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Mo, Rh и Pd) методом дифференциальной сканирующей калориметрии в интервалах температур от 130 K до температуры Tразл начала распада с выделением водорода (дейтерия) у изучаемого образца. Эти гидриды и большая часть дейтеридов были ранее синтезированы при высоких давлениях в ИФТТ РАН. Изучение синтезированных образцов методом неупругого рассеяния нейтронов (НРН) позволило построить их спектры g(E) плотности фононных состояний и рассчитать фононный вклад в теплоемкость при температурах от 0 до 1000 K. Подобных расчетов ранее не проводилось, и их надежность пока неясна. Измерений теплоемкости гидридов высокого давления тоже не проводилось. В случае, если планируемые измерения подтвердят результаты расчетов, то для довольно большого числа систем металл-водород откроется возможность теоретического анализа фазовых равновесий при высоких давлениях и температурах.

Жидкие кристаллы со сложной пространственной структурой и многоуровневым спонтанным упорядочением, грант РНФ № 23-12-00200 (д.ф.-м.н. Долганов П.В.)

Проектом предусмотрены комплексные исследования жидких кристаллов с многоуровневым упорядочением, образующих сложные пространственные структуры, изучение которых актуально не только для физики жидких кристаллов и конденсированного состояния вещества, но и других областей знания. Особенностью проекта является взаимодополняющее использование оптических и рентгеновских методов, их развитие в применении к новым объектам. Жидкие кристаллы образуют ряд уникальных фаз со сложным многоуровневым упорядочением. Сложноорганизованные структуры могут образовываться также из-за пространственных ограничений, накладываемых на систему. Будут изучаться условия образования фаз с многоуровневым упорядочением, их физические характеристики, осуществляться поиск способов создания структур с уникальными оптическими свойствами. В проекте будет изучена динамика коалесценции (слияния) и обратного процесса – фрагментации или разрыва в жидкокристаллических средах, сопровождающаяся рождением и аннигиляцией топологических дефектов. Важность этих исследований связана с тем, что коалесценция и фрагментация являются неотъемлемой частью природных явлений и играют существенную роль в различных технологических процессах. В рамках проекта планируется изучение оптических, электрооптических и упругих свойств хиральных фаз жидких кристаллов. Предполагается изучить структурные особенности тонких слоев, образованных органическими молекулами на межфазных границах углеводород – вода и воздух – вода. Выполнение проекта позволит продолжить исследования жидких кристаллов в России на передовом мировом уровне и развивать актуальные направления исследований, в которых российские учёные являются лидерами.

Структура полос сдвига и ее влияние на образование нанокристаллов при деформации аморфных сплавов, грант РНФ № 23-12-00122 (д.ф.-м.н. Аронин А.С.)

Проект посвящен изучению особенностей пластической деформации аморфных сплавов (быстрозакаленных состава Al₈₇Ni₈La₅, Fe₇₇Si₁₃B₁₀ и массивного сплава Zr₅₅Cu₃₀Al₁₀Ni₅) при разных условиях деформирования и формированию при деформации аморфно-нанокристаллической структуры, исследованию закономерностей структурных перестроек в аморфных и наноструктурных материалах с целью развития представлений о фазовых и структурных превращениях в материалах, обладающих высокими функциональными (магнитными, механическими) свойствами.

Актуальность тематики, связанной с созданием новых наноматериалов, определяется постоянно расширяющимися областями практического применения аморфных сплавов с прогнозируемыми физико-химическими свойствами, перспективами разработки на их основе приборов и устройств нового поколения, что позволяет не только осуществить импортозамещение в разных направлениях гражданской и специальной техники, но и создать принципиально новое оборудование, не существующее к настоящему времени. Поэтому предлагаемое исследование является важным и актуальным как с точки зрения развития представлений о механизмах трансформации структуры при деформационных обработках, так и с точки зрения создания новых материалов, перспективных для практического использования.

Ян-Теллеровские деформации высокосимметричных молекул в кристаллах анионных металлоорганических комплексов. Рентгеноструктурный анализ и кванто-механические расчеты, грант РНФ № 22-23-01158 (к.ф.-м.н. Хасанов С.С.)

Проект направлен на решение общей проблемы в физике твердого тела – выявление релевантных связей структура-свойства применительно к кристаллам новых металло-органических комплексов на основе высокосимметричных анионов. Из общих принципов теории групп следует, что электронная подсистема нейтральных молекул с высокосимметричными остовами должна быть вырождена. В частности, вырожденными должны быть граничные орбитали молекулы: высшая занятая и низшая свободная молекулярные орбитали (ВЗМО и НСМО). Заселение НСМО электронами в анионных комплексах приводит к функционализации этих молекул, а кристаллы на их основе могут проявлять различные физические свойства, как проводящие, так и магнитные.  Электронные состояния таких исходно высокосимметричных молекул с «заселенными» уровнями, как и свойства кристалла в целом, определяются характером расщепления НСМО уровней, возникающих в результате различных искажений, понижающих симметрию молекулы. Исследования деталей кристаллической, молекулярной и электронной структур, влияющих и определяющих свойства таких функциональных кристаллов, является актуальной задачей химии и физики твердого тела.

Результаты проведенных исследований позволят уточнить цели и задачи дальнейших исследований, которые позволят установить, каким образом энергетический спектр, зарядовые и спиновое состояния анионов зависят от общих структурных параметров кристаллов, интерпретировать проводящие и магнитные свойства кристаллов анионных комплексов и выработать рекомендации для дизайна новых функциональных материалов.

Инновационные методы локального контроля в низкотемпературной и низко-диссипативной наноэлектронике, грант РНФ № 22-12-00342 (к.ф.-м.н. Храпай В.С.)

Вклад российской экспериментальной науки в современные наукоемкие технологии, к сожалению, очень мал. К такому положению дел приводит множество факторов, в основном экономических. В то же время, важнейшим фактором является и традиционная оторванность передовых фундаментальных исследований от прикладных разработок. Уже само по себе такое разделение как будто отрицает взаимосвязь инновационных идей, возникших в процессе чисто научного исследования, и их дальнейшего применения в новых поколениях приборов и инструментов. Предлагаемый проект направлен на создание точки роста в ИФТТ РАН, объединяющей усилия высококлассных молодых исследователей из различных научных организаций в РФ с передовым опытом работы в смежных областях низкотемпературной и низко-диссипативной наноэлектроники и некоторым опытом прикладных исследований.

Предлагаемые в нашем проекте исследования объединены общей целью - разработки инновационной технологии локального контроля электронных конфигураций в низкотемпературной низко-диссипативной наноэлектронике. В основе технологии лежат оригинальные разработки коллектива в области локальной шумовой спектроскопии. Реализация трех экспериментальных направлений позволит всесторонне подойти к решению проблемы, отработать не только основную технологию, но и методы независимой проверки получаемых с ее помощью результатов анализа неравновесных электронных конфигураций на наномасштабе.  В комплексе, такой подход обеспечивает, на наш взгляд, качество и целостность проекта. Область локальной шумовой спектроскопии и термометрии только начинает развиваться в мире. Реализация проекта позволит закрепить отечественные наработки на уровне лабораторного образца шумового микроскопа, в полном соответствии с мировыми тенденциями и приоритетами научно-технического развития РФ.

Оптическое зондирование двумерных несжимаемых ферми-жидкостей, грант РНФ № 22-12-00257 (к.ф.-м.н. Ваньков А.Б.)

Огромный раздел физики конденсированных сред посвящен изучению двумерных электронных систем – они обладают специфической топологией и в них эффекты электрон-электронного взаимодействия усиливаются, приводя к широкому спектру физических явлений. Разнообразие коллективных эффектов в двумерных электронных системах постоянно пополняется за счет открытия совершенно новых двумерных материалов, а также прогресса в создании сверхчистых гетероструктур с сильным взаимодействием. Свойства сильнокоррелированных двумерных электронных систем подчас являются плохо предсказуемыми ввиду отсутствия строгой теории для случая доминирующего кулоновского взаимодействия. Поэтому на передний план выходят экспериментальные исследования двумерных систем.

В данном проекте планируется использование магнитооптических методик для актуальных задач исследования новых фаз и новых квазичастиц в двумерных электронных ферми-жидкостях на основе ZnO и GaAs. В частности, будут адресованы задачи о стонеровских ферромагнетиках в режиме квантового эффекта Холла с четными факторами заполнения, макрозаполнении (при бозевской статистике) долгоживущих спиновых экситонов и исследовании их когерентности. Будут изучены спиновые конфигурации квантово-Холловских состояний с дробными факторами заполнения, исследована роль спиновых текстур. Наконец, будут исследованы общие свойства двумерных заряженных Ферми-жидкостей - импульсное распределение частиц и квазичастиц, эффекты перенормировки взаимодействия, критерии для несжимаемости.

Целью проекта является расширение знаний о физических свойствах двумерных ферми-жидкостей, выявление новых когерентных состояний, коррелированных фаз и квазичастиц.

Новые материалы и технологии для создания современных систем безопасности и противодействия терроризму, грант РНФ № 19-72-30003 (д.ф.-м.н. Кукушкин И.В., к.ф.-м.н. Щепетильников А.В.)

В проекте предлагаются фундаментально-научные исследования свойств новых полупроводниковых и металлических материалов, разработка новых физических принципов детектирования электромагнитных волн терагерцового диапазона, создание новых мета-материалов, позволяющих усиливать оптические сигналы, развитие новых технологий для производства микроэлектронных структур. Эти исследования, несомненно, приведут к созданию принципиально новых систем безопасности, в которых используются терагерцовые волны, прозрачные для большинства материалов, а также рамановская спектроскопия для однозначного детектирования природы обнаруженных веществ.

Локальные исследования влияния различных механизмов рассеивания на магнитотранспорт в квазиодномерных системах с нормальными и сверхпроводящими контактами, грант РНФ № 23-22-00141 (к.ф.-м.н. Батов И.Е.)

Проект направлен на исследование локальных особенностей когерентного транспорта в квазиодномерных мезоскопических системах с сильным электрон-электронным и спин-орбитальным взаимодействием при помощи низкотемпературных сканирующих методик с целью выяснения связей механизмов рассеяния носителей, исследуемых на нанометровых масштабах, с результатами измерения магнитотранспорта всей системы. В рамках данного проекта будут применены техники измерения магнитотранспорта в присутствии сканирующего затвора, а также сканирующая туннельная микроскопия, которые позволят не только выяснить механизмы возникновения фрактального поведения универсальных флуктуаций кондактанса, но также помогут более точно определить критерии перехода от слабой или не полной эргодичности в системе к ее полной эргодичности. Кроме того, в рамках данного проекта будут проведены локальные исследования транспорта сканирующими методиками с целью более полного понимания особенностей устройства интерфейса сверхпроводник/полупроводник и зоны обеднения вблизи него, а также таких эффектов, как зависящее от концентрации носителей и центров проскальзывании фазы многократное андреевское отражение.

Когерентный контроль низкоразмерных экситон-поляритонных и магнитоэкситонных конденсатов в полупроводниковых гетероструктурах, грант РНФ № 21-12-00368 (д.ф.-м.н. Кулаковский В.Д., д.ф.-м.н. Гаврилов С.С.)

Задачи:

1. Исследование нового вида мультистабильности в однородных экситон-поляритонных системах в полупроводниковых микрорезонаторах, возбуждаемых резонансной плоской волной, в которых различные состояния конденсата отделены друг от друга топологическими дефектами, перемежаются в пространстве и образуют связанные решеточные структуры.

2. Исследование формирование пространственной когерентности и спиновой поляризации в неравновесной экситон-поляритонной системе в полупроводниковых микрорезонаторах в отсутствие экситонного резервуара, Анализ влияния на когерентные и поляризационные свойства конденсата поляритон-поляритонного и поляритон-фононного рассеяния и рассеяния на флуктуациях  потенциала.

3. Исследование когерентных и поляризационных свойств ансамбля спинорных циклотронных магнитоэкситонов, реализующегося при межзонном фотовозбуждении в двумерной электронной системе в GaAs/AlGaAs гетероструктуре в режиме квантового холловского диэлектрика с фактором заполнения 2, включая  измерение фазовой диаграммы газ-жидкость, исследование транспортных свойств, наличия сверхпроводящей компоненты, спинового состава возбуждений и путей управления спиновым транспортом.

Экспериментальные и теоретические исследования нелинейных волновых и вихревых процессов в объеме и на поверхности жидкости (д.ф.-м.н. Левченко А.А.)

Экспериментально исследуются процессы формирования вихрей в объеме классической или квантовой жидкости (сверхтекучий гелий - II). Изучаются особенности генерации прямого и обратного каскада энергии, распада каскада и взаимодействия вихрей. Теоретически изучаются вопросы кластеризации частиц на поверхности жидкости. Исследуются различные механизмы взаимодействия частиц, распределения кластеров по размерам.

Мультифрактальность и взаимодействие на локализационных переходах между топологическими фазами в сверхпроводящих системах, грант РНФ № 22-42-04416 (д.ф.-м.н. Бурмистров И.С.)

Планируется создание исчерпывающей картины обобщенной мультифрактальности в сверхпроводящих классах симметрии C (спиновый квантовый эффект Холла) и D (тепловой квантовый эффект Холла). Ожидается, что результаты, полученные в проекте, будут актуальны для d-волновых неупорядоченных сверхпроводников, гранулированных сверхпроводящих пленок в магнитном поле, триплетных сверхпроводников с нечетной четностью, неабелевых состояний дробного квантового эффекта Холла, спиновых жидкостей и поверхностей трехмерных топологических сверхпроводников.

Топологическое взаимовлияние магнетизма и сверхпроводимости, грант РНФ № 21-42-04410 (д.ф.-м.н. Фоминов Я.В., д.ф.-м.н. Махлин Ю.Г.)

Ожидается, что совместные исследования, базирующиеся на взаимодополняющих опыте и знаниях участников проекта (в таких областях, как топологическая спинтроника, сверхпроводящие наноструктуры и квантовая когерентность), приведут к прогрессу в фундаментальных знаниях в соответствующих областях физики, а также к развитию прикладных направлений, которые варьируются от дизайна наноустройств до квантовых компьютеров.

Стохастические структура и динамика в неравновесных процессах физики биополимеров, грант РНФ № 22-72-10052 (к.ф.-м.н. Белан С.А., к.ф.-м.н. Пикина Е.С., к.ф.-м.н. Парфеньев В.М.)

Данный проект направлен на теоретическое моделирование неравновесных процессов физики биологических полимеров, а именно на (а) развитие аналитически решаемых статистических моделей пространственной организации хроматина в ядрах интерфазных клеток млекопитающих, учитывающих присутствие процесса активного выдавливания хроматиновых петель в ходе моторной активности SMC-белков, и (б) установление строгих математических неравенств, задающих пределы возможного изменения скорости ферментативной реакции при повышении вероятности распада промежуточного комплекса фермент-субстрат. Постановка этих актуальных задач мотивирована накоплением большого массива эмпирических данных, относящихся к указанным биофизическим процессам, а их решение должно предоставить прежде отсутствовавшие количественные теоретические предсказания касательно ряда экспериментально измеряемых статистических характеристик.

Взаимодействие когерентных структур и флуктуаций в гидродинамических системах, грант РНФ № 23-72-30006 (д.ф.-м.н. Лебедев В.В., д.ф.-м.н. Колоколов И.В., к.ф.-м.н. Вергелес С.С., к.ф.-м.н. Белан С.А., к.ф.-м.н. Пикина Е.С., к.ф.-м.н. Парфеньев В.М., Ивченко Н.А.)

Турбулентные и хаотические состояния гидродинамических систем – широко распространенное в природе явление, связанное с высокой степенью их нелинейности. В ряде случаев турбулентность ведет к возникновению когерентных структур. В этой связи можно упомянуть циклоны, антициклоны и ураганы, возникающие в атмосфере, а также геострофические вихри, возникающие в жидком ядре Земли. Очевидно, упомянутые когерентные структуры играют весьма существенную роль в геофизике. Понимание физики этих явлений дает нам ключ к анализу процессов в самых различных физических ситуациях, от космологии до биофизики. Достаточно упомянуть турбулентность межзвездной плазмы и связанные с ней вихревые структуры, а также когерентные течения, которые возникают вследствие случайного движения бактерий в жидкой среде.

Формирование и структура когерентных вихрей в турбулентных потоках, грант фонда развития теоретической физики и математики «Базис» (к.ф.-м.н. Парфеньев В.М.)

Исследования в рамках проекта будут проводиться по двум основным направлениям. Первое направление будет посвящено изучению свойств крупномасштабных когерентных вихрей, которые возникают вследствие обратного каскада энергии в двумерной турбулентности. Второе направление исследований будет посвящено столбовым когерентным вихрям, которые могут формироваться в трехмерных системах из мелкомасштабных турбулентных пульсаций при наличии сильного внешнего вращения. Исследования еще на один шаг приблизят нашу модель к широкому классу лабораторных и численных экспериментов, а также к описанию природных явлений.

Турбулентность и когерентные структуры в интегрируемых и неинтегрируемых системах, грант РНФ № 19-72-30028 (д.ф.-м.н. Дьяченко А.И.)

Данный проект посвящен исследованию турбулентности и когерентных структур, а также их взаимному влиянию друг на друга в интегрируемых и неинтегрируемых системах. В проекте выделены четыре темы:

1. Турбулентность и коллапсы в гидродинамике несжимаемой жидкости

2. Слабая турбулентность и применение к ветровому волнению

3. Турбулентность в интегрируемых системах

4. Волновая турбулентность и экстремальные волны в гидродинамике со свободной поверхностью.

Интегрируемые модели квантовой теории поля и теории струн, грант РНФ № 23-12-00333 (к.ф.-м.н. Лашкевич М.Ю.)

Теория суперструн призвана объединить квантовую гравитацию и стандартную модель сильных и электрослабых взаимодействий в единую самосогласованную релятивистски инвариантную квантовую теорию. Из различных феноменологических требований следует, что структура пространства-времени суперструны должна быть произведением 4-мерного пространства Минковского и 6-мерного компактного пространства, имеющего структуру многообразия Калаби-Яу. Исследование таким образом сводится к изучению теории струны, построенной по суперсимметричной нелинейной сигма-модели. Имеется два подхода к исследованию таких сигма-моделей. Это геометрический подход и алгебраический подход сформулированный Гепнером. В данном проекте мы планируем развить так называемый метод высших уравнений движения в рамках непрерывного подхода. Мы надеемся, что это приведет к доказательству соответствия между двумя подходами, а также позволит получить новые аналитические решения для ряда частных случаев.

Микроскопия и спектроскопия слабо флуоресцирующих одиночных нанообъектов, грант РНФ № 22-22-00998 (д.ф.-м.н. Вайнер Ю.Г.)

Грант посвящен развитию экспериментальных методик оптической диагностики одиночных наночастиц различной природы в жидких прозрачных средах и на поверхности оптических пластинок, включая слабофлуоресцирующие и практически нефлуоресцирующие наночастицы, а также наночастицы которые не поглощают или слабо поглощают свет в широкой области оптического спектра и обладают коэффициентом преломления близким к его величине в средах, в которых они анализируются. Планируется разработать методики высокочувствительной микроскопической визуализации одиночных наночастиц на основе сигналов упругого рассеяния и флуоресценции и измерения их индивидуальных размеров и спектров флуоресценции. На основе развитых методик предполагается изучить процессы агрегации в водных средах наночастиц различной природы, включая коллоидные наночастицы на основе фторида лантана, перспективные для биомедицинских приложений, а также ряд аминокислот и белков.

Спектрально-яркие нано-эмиттеры света: физика, материалы и биологические приложения, грант РНФ № 23-42-0049 (к.ф.-м.н. Мелентьев П.Н.)

В биологии и биофизике одной из основных как фундаментальных, так и прикладных задач является идентификация конкретных биомолекул в их естественной среде и количественное измерение разного типа взаимодействий между биомолекулами без нарушения функционирования наблюдаемой биосистемы. Изучение взаимодействия света с биомолекулами открывает для исследователей пути понимания множества явлений и представляет в их распоряжение множество новых инструментов, которые можно использовать для решения сложных мультидисциплинарных задач. Одним из подходов к достижению этих целей является использование люминесцентных зондов – нанолокализованных излучателей света. В настоящее время существует ряд люминесцентных зондов. Этими излучателями являются органические флуоресцентные красители, полупроводниковые квантовые точки, флуоресцентные белки, флуоресцентные материалы использующие процессы апконверсии, биолюминесцентные молекулы и другие. Такие зонды можно использовать в качестве характерных маркеров при наблюдении за кооперативным поведением биомолекул в биологической системе при анализе различных заболеваний. Однако, существующие нанолокализованные эмиттеры света имеют большие недостатки.  Основная задача проекта – это разработка и создание излучателей с тщательно сконструированными квантовыми состояниями, характеризующихся (i) ярким излучением, (ii) подавленным процессом фотодеградации и (iii) узким спектром излучения.

Новое поколение атомного чипа для задач квантовой метрологии, грант РНФ № 23-22-00255 (к.ф.-м.н. Афанасьев А.Е.)

Проект направлен на создание и исследование нового поколения атомных чипов. Атомный чип — это устройство, предназначенное для миниатюризации установок квантовой оптики с ультрахолодными атомами и молекулами. Атомный чип улавливает ультра-холодную материю, манипулирует ею и позволяет измерять ее параметры, контролируя как внутренние, так и внешние степени свободы. Создание атомного чипа базируется на объединении развитой технологии полупроводниковой промышленности с впечатляющим прогрессом, достигнутым в атомной оптике. Эта комбинация создает тип «твердотельного» устройства для волн материи с миниатюризацией, интеграцией и большими временами когерентности локализованного ультра-холодного вещества. Основной целью Проекта является создание нового типа атомного чипа с возможностью локализации в магнито-оптической ловушке до 10⁹ атомов, с их последующей перезагрузкой в магнитную ловушку с высокой (не менее 50%) эффективностью и получение Бозе-Эйнштейновского конденсата на атомном чипе. Все возрастающий уровень миниатюризации и интеграции устройств с атомным чипом может принести холодной материи и волнам материи ту же революцию, которая ранее произошла в электронике и оптике.

Ультрабыстрые фазовые переходы в кристаллах халькогенидов (Bi,In)₂Se₃ и (Pb,Sn)Se, грант РНФ № 23-22-00387 (к.ф.-м.н. Мельников А.А.)

Проект направлен на поиск и исследование экзотических неравновесных состояний вещества, возникающих при интенсивном резонансном возбуждении фононных мод твердого тела ультракороткими импульсами инфракрасного диапазона. Планируемые эксперименты предполагают резонансную когерентную накачку фононных мод изучаемых кристаллов мощными терагерцовыми импульсами. Эти исследования относятся к новому, активно развивающемуся направлению - нелинейной фононике, которая, в свою очередь, является частью более широкой области — физики периодически модулируемых квантовых систем.

Исследование новых перспективных материалов фотоники с рекордными характеристиками, грант РНФ № 21-72-00134 (к.ф.-м.н. Молчанова А.Д.)

В настоящее время активно ведется поиск новых перспективных материалов для современных устройств фотоники с рекордными характеристиками – высокоэффективных люминофоров, высокочувствительных сенсоров излучения, биомедицинских оптических маркеров и эффективных и нетоксичных флуорофоров для фотодинамической терапии рака и других применений. Все данные материалы объединяет одно свойство – способность активно взаимодействовать с фотонами (светом), и преобразовывать их в другое излучение (биомаркеры, флуорофоры, люминофоры, лазерные среды). Большинство применяющихся материалов в промышленности, науке, технике и медицине были созданы более полувека назад, и для многих применений их характеристик уже недостаточно. В настоящее время произошел качественный скачок в создании новых материалов, все больше появляется новых соединений с рекордными характеристиками для нужд прикладной фотоники. Сейчас активно развиваются такие новые направления оптики и фотоники, как наноплазмоника, наноскопия, оптика топологических изоляторов, квантовая сенсорика и др. Настоящий проект направлен на развитие базы новых перспективных материалов фотоники, получение актуальной экспериментальной и теоретической информации о таких соединениях и последующими выводами об их прикладном применении. Исследования позволят дать информацию о возможностях дальнейшего улучшения характеристик материалов посредством выявления фундаментальных свойств и нахождения теоретического предела их эффективности.

Широкодиапазонная люминесцентная спектроскопия высокого разрешения примесных кристаллов для квантовой сенсорики, грант РНФ № 19-72-10132-П (к.ф.-м.н. Болдырев К.Н.)

Использование люминесцентной спектроскопии высокого разрешения позволит создавать люминесцирующие микро- и наноразмерные квантовые сенсоры. С помощью данной экспериментальной методики планируется впервые провести изучение ряда перспективных с точки зрения квантовой сенсорики объектов – материалов, в которые ранее в спектрах поглощения (или спектрах возбуждения люминесценции) наблюдались узкие линии с тонкой и сверхтонкой структурой, деформационными расщеплениями. Данные материалы будут исследованы на применимость в качестве квантовых сенсоров внешних магнитных и электрических полей, температур, деформаций. Будет проведено теоретическое моделирование наблюдаемых спектров и влияние на них внешних возмущений для получения количественных значений измеряемых величин и выяснения области применимости конкретного сенсора.

Оборванные связи кремния на галогенированной поверхности Si(100) в качестве одноатомных квантовых точек, грант РНФ № 21-12-00299 (д.ф.-м.н. Андрюшечкин Б.В., к.ф.-м.н. Павлова Т.В., к.ф.-м.н. Комаров Н.С., Шевлюга В.М.)

Продолжающаяся миниатюризация электронных устройств требует уменьшения размеров их активной области. Электрические, магнитные и оптические свойства квантовых точек открывают привлекательную возможность как для разработки новых электронных устройств, так и для фундаментальных исследований физики конденсированных сред. Данный проект направлен на решение проблемы уменьшения размеров квантовых точек за счет развития твердотельных квантовых структур размером с атом. Актуальность решения проблемы определяется необходимостью создания более компактных, более производительных и энергоэффективных электронных устройств. Научная новизна настоящего проекта определяется созданием одноатомных квантовых точек на галогенированной поверхности Si(100)-2x1. Использование галогенов позволит расширить применение DB на галогенированную поверхность Si(100), используемую в технологии производства микросхем. Более того, внедрение примесей в кремний с использованием DB на Si(100)-2x1-H ограничено существованием гидридов только P и As (при комнатной температуре), но не других важных примесей, таких как Er, Al, B и др. Однако существуют галогениды указанных примесей, поэтому применение резиста из галогенов откроет возможность встраивания новых примесей в кремний. Благодаря большему радиусу атомов галогенов по сравнению с H, электронная плотность DB на галогенированной поверхности Si(100)-2x1 будет меньше «выступать» над поверхностью и можно в деталях изучить зарядовые состояния DB в СТМ. Таким образом, одноатомные квантовые точки в виде DB на галогенированной поверхности Si(100)-2x1 являются интересными объектами для изучения физических явлений и перспективны для создания на поверхности кремния электронных схем атомного масштаба.

Разработка и исследование генератора запутанных оптических солитонов на основе модуляционной неустойчивости в оптических волокнах с периодически изменяющейся дисперсией для применений, основанных на квантовых технологиях, грант РНФ № 22-12-00396 (д.ф.-м.н. Федоров М.В.)

В рамках гранта РНФ проводятся экспериментальные работы по генерации солитонов в световодах, изучению их столкновений и распада на несколько солитонов. Проводятся также измерения различных корреляторов чисел фотонов в солитонах на разных стадиях их существования. Выполняется интерпретация результатов измерений и проверяется возможность их приложений в задачах типа передачи информации и квантовых вычислений.

Синтез керамики на основе диоксида циркония (ZrO₂) методом соосаждения из водных растворов (Пройдакова В.Ю.)

Синтез универсальных конструкционных материалов для разнообразного назначения, отличающихся тугоплавкостью и высокой коррозионной стойкостью.

Технологии атомно-точного легирования кремния методом СТМ-литографии (д.ф.-м.н. Ельцов К.Н.)

Цель: Создание элементов квантового компьютера на основе отдельных атомов доноров в матрице изотопно-чистого кремния ²⁸Si. Для этого необходимо научиться помещать атомы примеси в решетку кремния с атомной точностью.

Методы решения:  В качестве технологического инструмента будет задействован сверхвысоковакуумный низкотемпературный туннельный микроскоп/литограф (СТМ/Л), работающий по резисту из хемосорбированного монослоя галогена (хлор, бром). Помимо локальных электростатических полей будет использован эффект плазмонного усиления поля лазерного излучения зондом СТМ/Л. Галогениды фосфора (PBr3) и бора (BBr3) будут использованы в качестве легирующего агента в атомно-точные окна резиста, созданные в результате работы СТМ/Л. Проведены соответствующие расчеты и получены предварительные экспериментальные данные, позволяющие рассчитывать на успех.

Разработка новых принципов и элементной базы устройств для сверхбыстрой энергоэффективной обработки и передачи информации на базе нейроморфных процессоров, спинтроники и спин-фотоники, Мегагрант (к.ф.-м.н. Калябин Д.В., к.ф.-м.н. Сафин А.Р.)

Цель проекта: разработка концепций генерации, обработки, передачи и приема сигналов терагерцовых частот на базе эффектов спинтроники и спин-фотоники, создание магнитных гетероструктур – прототипов энергоэффективных логических, волноводных и запоминающих устройств для систем обработки больших объемов данных, машинного обучения и искусственного интеллекта.

Нелинейные плазменные волны в двумерных электронных системах, грант РНФ № 21-72-0011 (к.ф.-м.н. Загороднев И.В., к.ф.-м.н.Заболотных А.А.)

В проекте теоретически исследуются нелинейные плазменные волны в двумерных электронных системах в режиме сильной нелинейности, с выходом за рамки стандартной теории возмущений, что существенно влияет на свойства плазменных солитонов, а также на нелинейные волны в модулированном режиме, который соответствует двумерной электронной системе, по которой распространяется периодическое возмущение электронной плотности, создаваемое, например, боковым контактом к системе, находящимся под действием переменного напряжения (гигагерцового или терагерцового диапазона частот).

Управление свойствами материалов с помощью двухосной деформации (международный проект с ANR (Франция), грант РНФ № 22-42-09018 (д.ф.-м.н. Зайцев-Зотов С.В.)

Бурное развитие технологий, наблюдающееся в последние десятилетия, обусловлено потребностями в практическом использовании разнообразных электронных свойств твердотельных систем.  В последние годы был сформулирован ряд вызовов, связанных с потребностями различных областей практической жизни: зеленая энергия (производство и хранение), батареи, здоровье (диагностика, лечение), передовые технологии (нанотехнологии, квантовая электроника), информационные системы (искусственный интеллект, нейроморфный расчет, квантовая информатика). Для решения поставленных задач первостепенное значение имеет возможность управления электронными свойствами твердотельных систем, которое приводит на перестройке их энергетической структуры и, в частности, величины запрещенных зон. Эта область, получившая названия инженерии энергетической щели, обычно изучает электронные состояния вблизи энергии Ферми, где могут появляться как щели, так и сингулярности, или, например, точки Дирака, которые возникают при определенных условиях в некоторых двумерных системах.

В рамках настоящего проекта мы планируем сосредоточиться на изучении коррелированных материалов, в которых реализуется сразу несколько электронных фаз, в частности, волны зарядовой плотности (ВЗП) и сверхпроводимость. Эти две фазы обычно встречаются в квази-двумерных коррелированных материалах (три- и дихалькогениды переходных металлов, сверхпроводящие купраты), где они или сосуществуют, или конкурируют. В проекте мы  планируем заняться изучением семейства редкоземельных трителлуридов RTe3 (R = редкоземельный элемент), являющихся коррелированными системами, в которых реализуются множественные волны зарядовой плотности (ВЗП), сверхпроводимость и магнитные упорядочения. Выбор соединений обусловлен (i) большим опытом группы в изучении статических и динамических состояний ВЗП в этих системах с помощью множества различных методик (ренгтеноструктурные исследования, неупругое рассеяние рентгеновских лучей, нелинейный транспорт…), (ii) наличием дальнодействующих корреляций ВЗП по сравнению с другими системами конденсированного состояния; (iii) высокой интенсивностью сверхструктурных пиков ВЗП, наблюдающихся при рентгенострутурных исследованиях; (iv) тем фактом, что в этих системы наблюдается нелинейная проводимость, которая является признаком коллективного переноса заряда ("скольжения" ВЗП). Целью проекта является изучение ранее не исследованных областей фазовых диаграмм соединений RTe3: зависимостей температуры переходов в состояние с ВЗП и сверхпроводящие состояние от значений компонент двухосной деформации, взаимосвязи и взаимного влияния разных механизмов переходов, роли редкоземельных элементов.

Топологические эффекты в энергетических спектрах и транспортных свойствах полупроводниковых и металлических гибридных структур, грант РНФ № 21-72-20114 (д.ф.-м.н. Зайцев-Зотов С.В.)

Проект посвящен изучению электронного транспорта и энергетической структуры топологических материалов и гибридных наноструктур на их основе. Изучение топологических материалов является одной из наиболее активно развивающихся областей физики твердого тела. При этом постепенно происходит смещение интереса от изучения отдельных весьма разнообразных классов материалов к изучению гибридных структур, в которых свойства топологического материала оказываются модифицированы благодаря влиянию второго материала (обычно это или магнитный материал, или сверхпроводник). Фактически можно говорить о возможности создания новых классов материалов и структур, физические свойства которых не имеют аналогов среди изучавшихся ранее. Большой интерес вызывает поиск материалов и структур, в которых реализуется бездиссипативный транспорт, структур с локализованными майорановскими нулевыми модами, пригодными для проведения исследований в области квантовых вычислений, а также изучение путей управления этими модами. Целью настоящего проекта является изучение физических механизмов переноса тока и спина в топологически нетривиальных материалах, создание на их основе гибридных наноструктур, состоящих из топологических материалов, магнитных материалов и сверхпроводников и изучение их энергетической структуры и транспортных свойств, в том числе и нулевых майорановских мод, а также анализ путей практического использования обнаруженных эффектов, в том числе для квантовых вычислений.

Гетероструктуры для спинтроники и магноники в условиях отсутствия или применения слабого внешнего магнитного поля, грант РНФ № 19-19-00607-П (к.ф.-м.н. Калябин Д.В., к.ф.-м.н. Сафин А.Р.)

При переходе к наноразмерам исследуемых объектов возникает необходимость учитывать новые явления и эффекты, в первую очередь - возникающие на границах таких объектов: явление поверхностной анизотропии (в частности, взаимодействие Дзялошинского-Мория), спиновый транспорт через границы раздела различных пленок в наногетероструктурах, динамика доменов и доменных стенок в нанообъектах и многие другие. Для повышения востребованности результатов при создании новой компонентной базы необходимо использовать магнитные гетероструктуры в условиях отсутствия или ограниченного применения внешнего магнитного поля. В продолжение исследований, начатых и проведенных в течение трех лет, далее будут изучаться свойства разного вида возбуждений (спиновых, акустических, оптических) в магнитных гетероструктурах, но без применения внешнего магнитного поля или в условиях его ограниченного применения.

Разработка компонентной базы субтерагерцевой электроники на основе антиферромагнитных гетероструктур, грант РНФ № 21-79-10396 (к.ф.-м.н. Сафин А.Р.)

В настоящее время в развитии и освоении терагерцевого диапазона частот важнейшей проблемой является создание компактных, прямых источников, детекторов и эмиттеров колебаний, работающих при комнатных температурах. Существующие устройства субтерагерцевой электроники, в большинстве своем, используют в качестве основного механизма косвенное преобразование частоты (например, в оптических квантовых генераторах) или сверхнизкие температуры (криогенные болометры и переходы Джозефсона), что существенно ограничивает их практическое внедрение.  Проведенные к настоящему моменту теоретические и экспериментальные исследования (за последние 5 лет) по созданию источников колебаний терагерцевого диапазона, созданных на основе многослойных магнитных наноструктур (элементов спинтроники), показали принципиальную возможность возбуждения терагерцевых колебаний в диапазоне частот 0,1-10 ТГц при комнатной температуре, который наиболее трудно реализовать косвенным путем с помощью преобразования оптического излучения. Вместе с тем, создание тергагерцевых генераторов данного диапазона может в кратчайшие сроки найти применение в биотехнологии для лечения онкозаболеваний, а также в космической связи, телекоммуникациях и системах неразрушающего контроля. В рамках данного проекта для решения поставленной задачи исследования путем создания источников, детекторов и эмиттеров стабильных колебаний субтерагерцевого диапазона частот (0,1 до 10 ТГц) в качестве базовых слоев предлагается использовать антиферромагнетики с резонансными частотами, лежащими в терагерцевой области. Данный проект носит существенно междисциплинарный характер, так как существующие и хорошо разработанные методы и подходы в области физики магнитных явлений, теории нелинейных колебаний и волн, которые использовались ранее при решении большого количества автоколебательных задач спинтроники ферромагнетиков, могут быть с успехом применены для исследования многослойных гетероструктур на основе антиферромагнетиков.

Сверхбыстрая нелинейная магнон-фононика, грант РНФ № 23-79-00016 (к.ф.-м.н. Калябин Д.В.)

Решение проблемы переключения намагниченности с максимальной скоростью и минимальными затратами энергии открывает новые перспективы для повышения энергоэффективности и технологических возможностей нашего цифрового общества. Уже сейчас информационные технологии потребляют 7 % мировых поставок энергии, и, по оценкам, к 2030 году этот показатель вырастет до более чем 20 %. Более полувека магнитную запись бита информации осуществляли путем приложения локального магнитного поля, но в настоящее время возможности этой технологии исчерпаны. Разрабатывается технология магнитной записи с использованием вспомогательного СВЧ поля, приводящего к прецессии магнитного бита на его резонансной частоте и уменьшающего тем самым напряженность магнитного поля, необходимого для переключения бита. Однако этот подход по-прежнему требует приложения энергетически затратного магнитного поля. Совсем недавно руководителем данного проекта был совершен прорыв, продемонстрировавший, что резонансное возбуждение колебаний решетки (оптических фононных мод) инфракрасным импульсом пикосекундной длительности может переключать состояние намагниченности. Таким образом, такой подход может представлять собой оптимальный способ магнитной записи, поскольку он нетепловой (следовательно, энергоэффективный), прецессионный (следовательно, сверхбыстрый) и универсальный (так как решетка встречается во всех кристаллических материалах). Поэтому основной целью этого проекта будет получение фундаментальных результатов о магнон-фононном переходном состоянии, возникающем после резонансной накачки различных фононных режимов, чтобы научиться применять ее для переключения параметров порядка в магнитоупорядоченных кристаллах.

Плазмоны и плазмон-поляритоны в регулярно неоднородных двумерных электронных системах, грант РНФ № 21-12-00287 (к.ф.-м.н. Загороднев И.В., к.ф.-м.н. Заболотных А.А.)

Плазма - одно из самых распространенных состояний веществ в природе. Коллективные движения заряженных частиц - плазменные колебания - как правило, определяют наиболее сильный отклик плазмы, как классической, так и твердотельной, на внешние электромагнитные поля. Неудивительно, что плазменные колебания в двумерных (2D) электронных системах с самого своего экспериментального открытия в 1976 году привлекают к себе внимание своими необычными физическими свойствами и перспективами практического применения. Так, закон дисперсии плазменных колебаний в 2D системах имеет бесщелевой вид, не типичный для 3D плазмы. Соответственно, частота плазменных колебаний при подходящем выборе волнового вектора может лежать в очень широком  диапазоне частот, от радиоволн до видимого света. Кроме того, частоту можно контролируемо и плавно перестраивать (без изменения волнового вектора) магнитным полем или изменением концентрации носителей в 2D системе с помощью напряжения на управляющем электроде, затворе. Важно понимать, как именно резонансные плазменные частоты зависят от параметров структуры. Поэтому одна из приоритетных задач данного проекта - экспериментальное и теоретическое установление особенностей плазменных резонансов и дисперсии плазменных колебаний в зависимости от магнитного поля, диэлектрического окружения и геометрических параметров регулярно неоднородных 2D электронных систем указанного типа.

Теоретические и физико-технологические основы элементной базы спинтроники, мехатроники и магноники на основе новых функциональных материалов, госзадание (д.ф.-м.н. Демидов В.В.)

Для создания нового поколения устройств СВЧ и терагерцовой электроники на элементной базе магноники, мехатроники и спинтроники необходимо провести фундаментальные исследования: физических свойств волн различной природы, распространяющихся в магнитных, магнитооптических, магнитоупругих, пьезоэлектрических и др. структурах; эффекты возникающие в таких структурах (обратный спиновый эффект Холла, ферромагнитный резонанс, спин-зарядовые явления, ферромагнитный псевдорезонанс, экситонная люминесценция, ферромагнетизм, антиферромагнетизм, обменное взаимодействие, обратная связь, отрицательная спиновая температура, лазерные импульсы, механические напряжения, магнитоупругий резонанс, эффект памяти формы, магнитокалорический эффект, эластокалорический эффект, эффект Фарадея, эффект Керра сверхпроводимость, сверхупругость).

Экзотические состояния в магнетиках с сильными спиновыми флуктуациями, грант РНФ № 22-12-00259 (д.ф.-м.н. Глазков В.Н., д.ф.-м.н. Смирнов А.И., к.ф.-м.н. Сосин С.С.)

Проект направлен на изучение экзотических магнитных состояний, возникновение которых обусловлено сильными флуктуациями спинов во фрустрированных и низкоразмерных магнитных диэлектриках.

Электронно-переключаемая сверхпроводимость в слоистых материалах: от концепций к устройствам, грант РНФ № 23-12-00340 (д.ф.-м.н. Кунцевич А.Ю.)

Управление сверхпроводимостью при помощи температуры или магнитного поля является классическим, но крайне диссипативным и нелокальным способом, применение которого в микро- и наноэлектронике неудобно. Подобно тому, как в микроэлектронных приборах переключение проводящего состояния может осуществляться электрическим полем (полевые транзисторы) или разовым воздействием импульса (мемристоры), сверхпроводящая электроника нуждается в электрически переключаемых элементах. Такие элементы могут быть сделаны локальными, они практически не потребляют энергию на переключение и найдут свое применение в ключах, параметрических усилителях, квантовых компьютерах, детекторах, чем сильно изменят облик сверхпроводящей микроэлектроники и возможности её интеграции с полупроводниковой микроэлектроникой. Полностью выключить или включить сверхпроводимость полем возможно только в достаточно тонких объектах, двумерных или одномерных системах. На сегодняшний день есть несколько реализаций подобных систем, в основе которых затворное управление эффектом близости или низкоразмерные системы с большой плотностью состояний. Почти все эти системы имеют критическую температуру зануления сопротивления ниже 1К, что сильно ограничивает практическое применение, так как требует использования криостатов растворения He₃ в He₄ или откачки паров He₃. В настоящем проекте, работая со слоистыми материалами и Ван-дер-Ваальсовыми гетероструктурами, мы применим ряд подходов, чтобы поднять критическую температуру в практически удобный диапазон выше 1 К, разовьем концепцию сверхпроводящего мемристора и подходы к интеграции созданных элементов в устройства.

Эффекты Холла в атомно-тонких системах без магнитного поля, грант президента РФ для молодых докторов наук МД-1571.2022.1.2 (д.ф.-м.н. Кунцевич А.Ю.)

В проекте экспериментально реализуются два типа эффектов Холла, свойственных двумерным атомно-тонким системам:

а) долинный эффект Холла при освещении дихалькогенидов переходных металлов циркулярно поляризованным излучением. Данный эффект реализует атомно-тонкий детектор циркулярной поляризации излучения;

б) нелинейный эффект Холла, например, наблюдаемый на второй гармонике тока. Данный эффект связан со спин-орбитальным взаимодействием и сложной зонной структурой в системе.

Оба эффекта в настоящий момент являются экспериментально малоизученными. Проект посвящён их экспериментальной реализации, исследованию феноменологии и условий наблюдения.

Мелкомасштабные структуры вещества и пылевая плазма в Солнечной системе, Грант #21-1-1-14-1 руководителя за участие в конкурсе «Ведущий ученый (Tеоретическая физика)» Фонда развития теоретической физики «БАЗИС» (д.ф.-м.н. Попель С.И.)

Проект направлен на разработку основ целостной картины, характеризующей, значимость мелкомасштабных структур вещества и пылевой плазмы при образовании планет и их спутников, роль мелкомасштабных структур вещества и плазменно-пылевых процессов в окрестностях планет, их спутников и комет, а также в космическом пространстве, разработку методов исследования мелкомасштабных структур вещества и пылевой плазмы в Солнечной системе в рамках будущих космических миссий. Выполнение проекта, в частности, предполагает выявление роли аномальной диссипации, природа которой вытекает из процессов, связанных с вариацией зарядов пылевых частиц, при формировании плазменно-пылевой системы над Луной, определение проявлений и характера нестационарности плазменно-пылевой системы над Луной, вызванной диссипативными процессами, связанными с вариацией зарядов пылевых частиц; разработку теоретических и численных моделей, описывающих конденсацию вещества (например, водяных паров или углекислого газа) в атмосфере Марса, зарядку сконденсированных частиц и формирование плазменно-пылевых облаков; определение параметров сконденсированных частиц и плазменно-пылевых облаков в атмосфере Марса; теоретическое исследование и численное моделирование волновых и коллективных процессов в пылевой плазме в магнитосфере Сатурна; выявление роли плазменно-пылевых процессов в окрестностях ядер комет, определение возможности, когда эффективность электростатических процессов при плазменно-пылевых взаимодействиях может оказаться выше эффективности газопылевых процессов при формировании пылевой комы кометы и т.д. Результаты, полученные в рамках проекта, позволят получить новую информацию о межпланетном веществе, механизмах планетообразования, о влиянии плазменно-пылевых процессов на космофизические явления, будут полезными для понимания и интерпретации имеющихся данных космических наблюдений и экспериментов, а также при разработке будущих космических миссий, дадут возможность развития современных физико-математических моделей для комплексных систем, содержащих мелкомасштабные структуры вещества, которые могут найти применение в различных областях технологии, физики, астрофизики и планетных наук.

Исследование и численное 3D моделирование магнито-плазменных процессов в компактных объектах и космологии, грант РНФ № 23-12-00198 (д.ф.-м.н. Моисеенко С.Г.)

Исследование магниторотационного механизма взрыва коллапсирующих сверхновых в трехмерной постановке при помощи разрабатываемого программного комплекса на вращающейся подвижной сетке. Исследование нелинейного эффекта Холла, обусловленного генерацией магнитного поля, создаваемого азимутальным током Холла, и его влияние на магнитное поле нейтронной звезды. Развитие модели устранения Хаббловского несоответствия, посредством добавления дополнительной компоненты тёмной энергии, имеющей отношение к инфляционному скалярному полю. В проекте предполагается увеличение статистики Гамма-Всплесков с обнаруженным прекурсором.

Венера и Марс в потоке солнечного ветра. Сравнительное исследование, грант РНФ 21-42-04404 (к.ф.-м.н. Моисеенко Д.А.)

Проект направлен на решение фундаментальной задачи: выяснение механизмов образования магнитосфер Марса и Венеры, не имеющих собственного глобального магнитного поля, но обладающих развитой атмосферой. Было установлено, что эти планеты не имеют собственного глобального магнитного поля и что солнечный ветер взаимодействует с газовыми оболочками этих планет. При этом взаимодействии образуются так называемые индуцированные магнитосферы. Дневные магнитосферы этих планет, которые являются местом зарождения потерь, наряду с ионосферой, недостаточно изучены ввиду малой высотной их протяженности и малым временным разрешением приборов на всех спутниках Марса и Венеры, за исключением спутника Марса MAVEN, работающего с конца 2014 г. Однако, ввиду того, что MAVEN имеет основную задачу определения атмосферных потерь через хвост Марса, структура дневной магнитосферы, процессы, образующие ее и транспорт плазмы на ночную сторону в хвост Марса остаются не изученными. Именно эти задачи предлагается решить в рамках данного исследования.

Исследования мелкомасштабной структуры поляризационного джета по спутниковым данным, грант РНФ (к.ф.-м.н. Чернышов А.А.)

Данный проект направлен на изучение мелкомасштабной структуры поляризационного джета, регулярно наблюдаемого в субавроральной зоне. Актуальность темы проекта заключается в исследовании неоднородностей электронной концентрации в ионосфере Земли, которые критически влияют на параметры распространения радиоволн и на работу навигационных спутниковых систем. Научная новизна заключается в детальном изучении мелкомасштабной структуры поляризационного джета на основе оригинальных спутниковых наблюдений с высоким разрешением, аналитических подходов, а также с использованием различных математических методик обработки спутниковых данных.

Применение методов нелинейной динамики для изучения авроральных и субавроральных областей магнитосферно-ионосферной системы Земли, проект фонда «Базис» (к.ф.-м.н. Чернышов А.А.)

Переходные процессы, быстропеременные режимы, флуктуации, самоподобие в открытых диссипативных системах, к которым относится магнитосферно-ионосферная система Земли, могут быть рассмотрены с помощью методов нелинейной динамики, поскольку классические методы исследования физики околоземной плазмы, разработанные для (квази)стационарных явлений, не всегда применимы в этой области. Для этого предполагается использовать представления фрактальной геометрии и теории перколяции для описания сложной пространственной структуры ионосферы и магнитосферы в авроральных и субавроральных областях. Для того чтобы проследить эволюцию свойств плазмы в зависимости от высоты в магнитосфере, планируется определить индекс масштабирования флуктуаций аврорального километрового радиоизлучения на различных частотах, что соответствует высотному разрезу. Поскольку индекс масштабирования однозначно связан с фрактальной размерностью, можно затем определить характеристики плазмы в области генерации аврорального километрового радиоизлучения и сравнить полученные оценки с уже известными фрактальными параметрами для ионосферы и геомагнитного хвоста. В проекте также планируется изучить скейлинговые и фрактальные свойства поляризационного джета в субавроральной ионосфере, проследить как меняется скейлинг во время развития поляризационного джета со временем. Полученные теоретически результаты будут сравниваться с наземными и спутниковыми измерениями, часть которых будет получена непосредственно участниками проекта.

Исследование структуры и динамики околозвездных и межзвездных оболочек (астросфер) и их роли в образовании пекулярных остатков сверхновых, грант РНФ № 19-12-00383-П (д.ф.-м.н. Измоденов В.В., к.ф.-м.н. Балюкин И.И.)

Проект направлен на исследование газодинамических структур (астросфер), возникающих при взаимодействии звездных ветров с межзвездной средой, и влияния этих структур на формирование остатков сверхновых. Данная область науки в настоящее время активно развивается, благодаря появлению новых наблюдений астросфер с высоким качеством изображений с помощью космических телескопов (Spitzer, Herschel, WISE и др.).

Взрывные процессы в астрофизике: сверхновые и килоновые, рентгеновские и гамма-всплески, грант РНФ № 23-12-00220 (к.ф.-м.н. Позаненко А.С.)

Проект посвящен исследованию мощных взрывных процессов в астрофизике, прежде всего: сверхновых, килоновых, гамма- и рентгеновских всплесков. Проект включает как экспериментальные исследования (наблюдения этих объектов в момент взрыва и в послесвечении в оптическом, радио и рентгеновском диапазонах), так и теоретические (моделирование взрыва и разлета оболочек сверхновых и их проявлений в оптике и рентгене, моделирование релятивистских выбросов - джетов, формирующихся при взрыве).  В проекте будут использованы данные космических обсерваторий INTEGRAL, FERMI, SRG, а также большой сети оптических телескопов.

Исследование и численное 3D моделирование магнито-плазменных  процессов  в компактных объектах и космологии, грант РНФ № 23-12-00198 (к.ф.-м.н. Позаненко А.С.)

Исследование магниторотационного механизма взрыва коллапсирующих сверхновых в трехмерной постановке при помощи разрабатываемого программного комплекса на вращающейся подвижной сетке. Исследование нелинейного эффекта Холла, обусловленного генерацией магнитного поля, создаваемого азимутальным током Холла, и его влияние на магнитное поле нейтронной звезды. Развитие модели устранения Хаббловского несоответствия, посредством добавления дополнительной компоненты тёмной энергии, имеющей отношение к инфляционному скалярному полю. В проекте предполагается увеличение статистики Гамма-Всплесков с обнаруженным прекурсором.

Поиск и исследования происхождения транзиентов различной природы с помощью скоординированных многоволновых наблюдений, грант Министерство науки и высшего образования РФ 075-15-2022-1221 (2022-BRICS-8847-2335) (к.ф.-м.н. Позаненко А.С.)

Цель проекта — использовать существующие оптические, радио- и рентгеновские средства, доступные в пяти странах БРИКС, для координированного наблюдения и мониторинга астрофизических транзиентов различной природы и исследования их происхождения. Наблюдения и исследования будут сосредоточены (но не ограничиваться) на короткоживущих транзиентах: быстрые радиовсплески (FRB), гамма-всплески (GRB),  нейтринные и гравитационно-волновые (GW) события. В частности, проект направлен на использование глобальной многоволновой наблюдательной сети стран BRICS для поддержки предстоящего цикла наблюдений O4  детекторами LIGO-VIRGO-KAGRA (LVK). Научные цели проекта будут достигнуты за счет планирования и проведения скоординированных наблюдательных кампаний  глобальной многоволновой наблюдательной сетью стран БРИКС и совместной обработки и интерпретации этих данных многоволновых наблюдений. Эта сеть в масштабах BRICS будет уникальной, так как она будет охватывать весь электромагнитный спектр, от радио  до гамма-излучения, а также глобальный охват всей Земли, обеспечивая полные небесное покрытие и непрерывный временной охват для круглосуточного наблюдения и мониторинга транзиентов.

Предполагается  наблюдение и использования данных  различных обсерваторий стран БРИКС:

•      Бразилия: OPD, ROPK, LLAMA
•      Россия: GRB IKI FuN
•      Индия: HCT, DOT, GIT, VBO, AstroSat, uGMRT
•      Китай: Xinglong, Yunnan, FAST, INSIGHT
•      Южно-Африканская Республика: SAAO, SALT, MeerKAT, H.E.S.S.

Скоординированная работа сети и интеграция больших данных будут осуществляться на программном уровне с использованием протоколов виртуальной обсерватории и инструментов искусственного интеллекта.

Роль низкочастотных волн в динамике энергичных частиц радиационных поясов Земли по данным многоспутниковых экспериментов, грант РНФ № 22-22-00135 (д.ф.-м.н. Шкляр Д.Р.)

Проект посвящен исследованию динамики энергичных частиц радиационных поясов Земли, обусловленной их взаимодействием с низкочастотными волнами в диапазоне между протонной и электронной гирочастотами, часто определяемом как свистовый диапазон. Этот диапазон включает нижнюю гибридную частоту, выше которой свистовые волны могут распространяться как в квази-продольном режиме, при котором магнитное поле волны (в системе СГС) существенно превышает электрическое, так и в квазирезонансном режиме, при котором свистовая волна является квазиэлектростатической. В этом случае свистовая волна может эффективно взаимодействовать как с энергичными электронами, в основном, на черенковском резонансе, так и с энергичными протонами на высоких циклотронных резонансах. При этом возможен эффективный обмен энергией через волну между энергичными протонами и электронами, который может приводить к появлению в радиационных поясах релятивистских электронов, что представляет собой фундаментальную научную проблему, важную для понимания энергетических процессов в околоземной плазме. Эта проблема находится в центре внимания исследователей последние десятилетия, однако ее решения на качественно новом уровне в настоящее время становится возможным благодаря многоспутниковым экспериментам, таким как Cluster, THEMIS, Van Allen Probes, MMS, ARASE, в которых проводятся многокомпонентные волновые измерения и измерения дифференциальных потоков энергичных частиц, однозначно определяющих их функцию распределения, в том числе и непосредственно в радиационных поясах Земли.

Водородная энергетика (д.ф.-м.н. Синицын В.В.)

На факультете физики в рамках образовательной программы «Физика» в магистратуре функционирует специализация «Водородная энергетика». В рамках данной специализации студенты обучаются специалистами, занимающимися исследованиями в области топливных элементов, систем получения и хранения водорода. Особенностью данной специализации является то, что организациями-партнерами выступают не только Институты РАН (ИФТТ РАН и ФИЦ ПХФ и МХ РАН), но и коммерческая организация, являющейся передовой российской компанией в области электрохимических решений для различных областей энергетики (ООО «Группа компаний «ИнЭнерджи»). Руководитель специализации в 2023 году выиграл конкурс на создание научно-учебных групп (НУГ), в результате чего была создана НУГ «Функциональные материалы для водородной энергетики», в состав которой вошли преподаватели специализации и студенты магистратуры факультета физики. Предметом исследования НУГ будут функциональные материалы, которые используются в топливных элементах на основе протонообменных мембран или в твердооксидных топливных элементах, которые в настоящее время чаще всего используются для прямой конверсии химической энергии водород-кислород в электрическую. Исследования проводятся с привлечением лабораторной базы Институтов РАН и ООО «ИнЭнерджи».

Оптимизация методов молниезащиты с учетоммакромасштабной асимметрии молниевых разрядов, грант РНФ № 23-11-00245 (д.ф.-м.н. Александров Н.Л., к.ф.-м.н. Пономарев А.А.)

Проект направлен на решение проблемы оптимизации параметров молниезащиты на базе численных экспериментов с использованием верифицированных моделей молниевого разряда. Молниевые разряды нередко приводят к травмам и гибели людей, пожарам, аварийным отключениям электричества, а иногда и к крупным техногенным катастрофам. Экономический ущерб молниевых разрядов продолжает расти из-за широкого распространения слаботочной микроэлектроники и в связи с тенденцией к цифровизации человеческой деятельности. Несмотря на большое количество нормативных документов, методик и правил по расчету средств молниезащиты и заземления, проблема снижения риска возникновения несчастных случаев, аварий и техногенных катастроф из-за воздействия молнии на технологическое и инженерное оборудование производственных объектов, линий электропередач и инфраструктурных коммуникаций остается актуальной не только для энергетики, но и для навигации, железнодорожного транспорта, связи, военной и многих других сфер. Прогнозируется, что к концу 21-го века грозовая активность на планете существенно возрастет из-за глобального потепления и аэрозольного загрязнения атмосферы, что еще больше увеличивает потенциальный экономический ущерб от молниевых разрядов. Целью проекта является построение программно-вычислительного комплекса, осуществляющего математическое моделирование инициации и развития молниевых разрядов, а также их взаимодействия с наземными объектами с учетом ряда важнейших физических аспектов рассматриваемого явления.

Динамические сверхпроводящие состояния в гетероструктурах сверхпроводник/магнетик, грант РНФ № 22-42-04408 (д.физ.н. Бобкова И.В.)

Проект посвящен исследованию взаимодействия гибридных сверхпроводящих систем с квантовыми электромагнитными полями, такими как фононы и магноны. Данное взаимодействие существенно модифицируется из-за наличия спин-триплетной сверхпроводимости, вызванной эффектом близости, топологических майорановских состояний и возбуждения коллективной моды Хиггса в сверхпроводнике, аналогичной бозону Хиггса в физике частиц. Интерес к таким системам стимулируется, в том числе, недавним прогрессом в изготовлении бислойных систем сверхпроводник/ферромагнитный изолятор или ферромагнитный металл, которые являются платформой для исследования широкого класса явлений: топологических сверхпроводящих состояний, связанного спинового, теплового и зарядового транспорта и влияния сверхпроводящих корреляций на спиновою накачку. Исследуя такие системы, мы научимся контролировать сверхпроводящий эффект близости с помощью света, конструировать и изучать майорановские состояния и моды Хиггса, связанные с магнонами. Это позволит нам получить глубокое понимание динамических свойств сверхпроводящих гибридных систем, которое в перспективе может быть использовано в области бурно развивающихся квантовых технологий.

Антиферромагнитная спинтроника в сверхпроводящих гетероструктурах, грант РНФ № 22-22-00522 (д.физ.н. Бобкова И.В.)

В настоящее время ведутся интенсивные исследования гибридных структур сверхпроводник/ферромагнетик, которые представляют собой основные базовые элементы низкодиссипативной сверхпроводниковой спинтроники. В то же время антиферромагнитные материалы могут представлять собой будущее спинтронных приложений благодаря многочисленным преимуществам над ферромагнетиками: они устойчивы к воздействиям паразитных магнитных полей, не генерируют поля рассеяния, демонстрируют сверхбыструю динамику, а также проявляют сильные магнитотранспортные эффекты. В данном проекте исследуются перспективы включения антиферромагнетиков в область сверхпроводниковой спинтроники. Несмотря на тот факт, что антиферромагнитная спинтроника в настоящий момент чрезвычайно активно развивается, предлагаемое нами направление практически совсем не изучено. В то же время оно выглядит весьма привлекательным и перспективным для исследования благодаря многочисленным преимуществам антиферромагнетиков, перечисленным выше, а также в силу наличия уже имеющихся результатов, которые показывают, что эффект близости с антиферромагнетиком приводит к фундаментальным изменениям сверхпроводящего состояния.

Биолюминесцентные сигнальные системы для токсикологических и оптогенетических исследований, грант РНФ № 22-14-00124 (д.б.н. Манухов И.В.)

Для исследования препаратов специфичных к грамположительным и грамотрицательным бактериям, анализа воздействия на клетку антиоксидантных препаратов, основанных на производных пластохинона, исследования in vivo процессов, влияющих на пул NADH в митохондриях стареющих клеток и создания белковых комплексов, регулирующих потенциал на мембране, будут развиваться биолюминесцентные сигнальные системы с использованием lux- генов.

В данном проекте планируется разработать принципиально новые биосенсоры с использованием бактериальных люцифераз как в качестве репортерных белков при исследовании регуляции генов, так и в качестве источника энергии для оптогенетических конструкций.

Разработка технологии рационального и высокопродуктивного использования агро- и биоресурсов, их эффективной переработки и получения безопасных и высококачественных источников пищевой и непродовольственной продукции, проект 0110-FSMF-2022-0007 Министерства образования и науки РФ (д.б.н. Манухов И.В.)

Выведение новых бактериальных культур для применения в пищевой индустрии, агро-промышленном комплексе и ветеринарии.

Молекулярно-биологические основы создания противовирусных препаратов и быстрой разработки вакцин на базе самособирающихся комплексов рекомбинантных химерных белков, проект 075-03-2023-106 Министерства образования и науки РФ (д.б.н. Манухов И.В.)

Цельноклеточные бактериальные биосенсоры на основегибридных, стрессовых промоторов для исследовательскихи прикладных задач, грант РНФ № 22-74-10047 (к.б.н. Баженов С.В.)

Проект посвящен изучению свойств бактериальных индуцируемых промоторов грамположительных бактерий Bacillus subtilis и грамотрицательных бактерий Escherichia coli, разработке новых гибридных промоторов для цельноклеточных биосенсоров.

Исследование специфичности антирестрикционнойактивности белков семейства ArdB, грант РНФ № 22-74-00027 (к.б.н. Кудрявцева А.В.)

В данном проекте предполагается исследовать механизм работы антрестриктаз ArdB семейства, с помощью которых мобильные генетические элементы (плазмиды и бактериофаги) реализуют горизонтальный перенос генов в бактериях.  Антирестриктазы ArdB семейства блокируют работу эндонуклеаз рестрикции I типа, но не влияют на работу соответствующих метилаз.

Исследования в области фундаментальной физики конденсированного состояния материи. Направления исследований:

• развитие теории конденсированного состояния: теория квантово-когерентных явлений в неупорядоченных конденсированных средах и наноструктурах при низких температурах (электронный и спиновый транспорт, сверхпроводимость, магнетизм, квантовый эффект Холла, топологические явления в конденсированных средах, квантовые логические устройства);
• физика низких температур и нанофизика: исследования в области оптики и электронного транспорта в полупроводниковых наноструктурах, эффекта Джозефсона в сверхпроводящих наноструктурах с нормальными металлами и ферромагнетиками, исследования квантовых низкотемпературных свойств низкоразмерных магнетиков;
• гидродинамика, теория турбулентности: исследования в области физики поверхностных волн и соленоидальных течений, гидродинамических явлений в тонких пленках, двумерной турбулентности, взаимодействие когерентных структур и флуктуаций; изучение эластической турбулентности, теория оптических явлений в оптоволокнах в сильно нелинейном режиме и передачи информации.