Актуальные про-блемы физики кон-денсированных сред, в том числе кванто-вой макрофизики, мезоскопики, физики наноструктур, спин-троники, сверх-проводимости
Обнаружено, что в сверхтекучем жидком гелии при возбуждении турбулентных акустических волн, так называемого второго звука, наряду с известным прямым Колмогоровским каскадом, описывающим перенос энергии от низких частот (область «накачки») к высоким, наблюдается «обратный энергетический каскад», соответствующий переносу энергии в сторону более низких частот. Формирование обратного каскада сопровождается появлением в резонаторе одиночных низкочастотных волн, являющихся аналогом бегущих одиночных волн большой амплитуды – «волн убийц» на поверхности океана. (ИФТТ РАН)
Экспериментально установлено, что при температурах выше 0,1 К наряду с тремя наблюдавшимися ранее кристаллографическими типами граней кристаллов Не-4 существуют еще не менее 10 граней других ориентаций. Для всех этих граней определены энергии элементарных ступеней.
В гейзенберговских антиферромагнетиках на пирохлорной решетке Gd2Ti2O7 и Gd2Sn2O7, характеризующихся сильной фрустацией обменного взаимодействия и неупорядоченностью при температурах много ниже образования спиновых корреляций, наблюдался магнитный резонанс нового типа. Предполагается, что резонанс обусловлен расщеплением коллективных возбуждений в поле анизотропии. (ИФП РАН)
В антиферромагнитном кристалле α-Fe2O3 обнаружен и исследован новый механизм акустооптической дифракции, обусловленный модуляцией поперечным звуком поляризаций нормальных световых мод. (КФТИ КазНЦ РАН)
В мультиферроике BiFeO3 обнаружен новый механизм перехода Мотта диэлектрик-металл, обусловленный резким падением величины хаббардовской энергии U из-за перехода электронной системы ионов Fe3+ из высокоспинового (S=5/2) в низкоспиновое (S=1/2) состояние. (ИК РАН)
Экспериментально реализована гигантская, до 90 %, оптическая спиновая поляризация электронов при комнатной температуре в твердых растворах GaAs1-xNx. Показано, что спиновая поляризация электронов сохраняется дольше 1 наносекунды, что на порядок превышает время спиновой релаксации свободных электронов. Рекордно высокие значения поляризации и спиновой памяти обусловлены формированием нелинейно связанной системы свободных и локализованных электронных спинов, в основе которого лежит спин-зависимый захват свободных электронов на глубокие парамагнитные центры и их динамическая поляризация. (ФТИ РАН)
Выполнены исследования пространственного коррелятора амплитуд Бозе-конденсата диполярных экситонов, накапливаемых в кольцевых ловушках в GaAs/AlGaAs гетероструктурах с одиночной квантовой ямой. В условиях Бозе-конденсации экситонов возникает пространственно-периодическая структура когерентно связанных пятен люминесценции, которая исчезает при увеличении температуры выше порога Бозе-конденсации. (ИФТТ РАН)
По спектрам фотолюминесценции в гетеронаноструктурах Si/SiGe/Si при температурах, превышающих критическую для перехода экситонный газ – электронно-дырочная жидкость, обнаружен и исследован переход Мотта, возникающий при увеличении концентрации экситонов в потенциальной яме квазидвумерного SiGe-слоя. По форме линии люминесценции определена концентрация частиц в образующейся при переходе Мотта электронно-дырочной плазме. (ФИАН)
Обнаружено, что в режиме гигантских осцилляций магнитосопротивления двумерных электронов, индуцированных микроволновым излучением, магнитополевые зависимости проводимости двумерной электронной системы существенно отличаются при бесконтактных и контактных измерениях. Показано, что гигантские осцилляции микроволновой фотопроводимости возникают исключительно вблизи края образца или вблизи контактной области и отсутствуют в объеме структуры. (ИФТТ РАН)
Обнаружено при гелиевых температурах гигантское (до 10000 раз) изменение тока в монокристаллических пленках (111) Pb0,74Sn0,26Te:In в магнитном поле напряженностью до 4 Тл, уменьшение или увеличение которого зависит от величины и взаимной ориентации постоянного магнитного и электрического полей. Обнаруженное явление объясняется в рамках представлений о PbSnTe:In, как об узкощелевом изоляторе-сегнетоэлектрике. (ИФП СО РАН)
В квантовой яме на основе теллурида ртути с ориентацией поверхности (013) обнаружена двумерная электронно-дырочная система, состоящая из легких высокоподвижных электронов с подвижностью
(4-6)105 см2/Вс и более тяжелых и низкоподвижных дырок с подвижностью (3-7)104 см2/Вс. Эта система является первой экспериментальной реализацией двумерного полуметалла и демонстрирует ряд особенностей в классическом магнитотранспорте (положительное магнитосопротивление и знакопеременный эффект Холла) и в режиме квантового эффекта Холла, обусловленных одновременным существованием двумерных электронов и дырок. (ИФП СО РАН)
В гетероструктурах n-In0.2Ga0.8As/GaAs с двойными квантовыми ямами в области перехода из диэлектрического состояния в режим квантового эффекта Холла обнаружены новые закономерности влияния эффектов слабой локализации и электрон-электронного взаимодействия на продольное и холловское сопротивление. Развита теория, описывающая влияние поперечного магнитного поля на эффект индуцированной электрическим током спиновой поляризации в двумерном электронном газе при учете спин-орбитального взаимодействия. (ИФМ УрО РАН)
В спектрах фотопроводимости гетероструктур с квантовыми ямами, легированными мелкими примесями, обнаружены резонансы Фано, обусловленные взаимодействием электронов и дырок с продольными оптическими фононами. Установлено, что в квантовых ямах ширина резонанса Фано определяется в основном силой взаимодействия носителей с фононами. Показана возможность локальной диагностики характеристик оптических фононов в квантовых ямах с помощью измерений резонанса Фано в спектрах фотопроводимости. (ИФМ РАН)
Обнаружено возникновение щели в фононном спектре наноструктурных керамик в терагерцовом диапазоне частот. Проанализированы условия, приводящие к ее возникновению. Показано, что положение верхнего края щели в спектре фононов в значительной степени определяется структурой межзеренных границ, а наличие включений с характерным размером меньшим, чем размер зерна основного материала керамики (поры, включения других фаз), приводит к смещению щели в высокочастотную область фононного спектра. (ИРЭ РАН)
Обнаружено в пленках TiN «сверхдиэлектрическое» состояние - переход от активационного типа проводимости, отвечающего диэлектрическому состоянию, к состоянию с практически нулевой проводимостью. Установлено, что данный переход характеризуется критической температурой, критическим магнитным полем и критическим напряжением. Такое поведение является дуальным к известному переходу Березинского-Костерлица-Таулеса (БКТ) из резистивного состояния в сверхпроводящее для двумерных сверхпроводящих систем. Весь комплекс исследований указывает на то, что наблюдаемое сверхдиэлектрическое состояние есть низкотемпературная фаза зарядового перехода БКТ, возникающего в результате самопроизвольного формирования структуры сверхпроводящих островков в диэлектрической матрице в системах, находящихся в критической области перехода сверхпроводник-изолятор по беспорядку. (ИФП СО РАН)
Обнаружено возникновение и упорядочение спонтанного магнитного потока в сверхпроводящих многосвязных структурах с джозефсоновскими -контактами – сверх-проводящих фазовых инверторах на основе тонкопленочных структур «сверхпроводник-ферромагнетик-сверхпроводник». Спонтанный поток возникает только в ячейках с нечетным числом -контактов и обеспечивает кратность фазы двум при обходе сверхпроводящих ячеек сеток. Наиболее вероятными являются состояния с антипараллельным взаимным расположением потока в соседних ячейках. (ИФТТ РАН)
На основе теории сверхпроводимости с большим импульсом пар при кулоновском взаимодействии объяснена природа наблюдаемого в высокотемпературных сверхпроводящих купратах упорядочения типа «шахматной доски». Исследование топологии сверхпроводящего параметра порядка позволяет предсказать характерные особенности интерференции квазичастиц, что важно для их наблюдения. (ФИАН)
Проведены расчеты электронной структуры и формы поверхностей Ферми новых классов высокотемпературных сверхпроводников на основе железа ROFeAs (R = La, Ce, Pr, Nd, Sm, Y), AFe2As2 (A = Ba, Sr) и LiFeAs, продемонстрировавших глубокую аналогию этих систем, зоны проводимости которых образованы 3d состояниями Fe (в плоскостях FeAs), и имеющих квазидвумерный характер. Результаты расчетов находятся в хорошем соответствии с данными экспериментов. (ИЭФ УрО РАН, ИФМ УрО РАН)
Показано, что флуктуационный эффект Нернста в неупорядоченных тонких сверхпроводящих пленках превышает тот же эффект в нормальном металлическом состоянии на несколько порядков даже при температурах в 5-10 раз выше критической. (ИТФ РАН)
Показано, что в графене можно достичь температуры перехода в макроскопически сверхпроводящее состояние порядка нескольких градусов К, поместив на листе графена островки сверхпроводящего металла размером в десятки нанометров на расстоянии между соседними островками в доли микрон. (ИТФ РАН)
Экспериментально обнаружена в антиферромагнетике-сверхпроводнике CeRhIn5 при давлении
2.3 ГПа «локальная» квантовая критическая точка. Соответствующая «локальная» квантовая фаза характеризуется мощными спиновыми и зарядовыми флуктуациями, создающими притягивающее электрон-электронное взаимодействие, приводящее к возникновению сверхпроводимости нетрадиционного типа. (ИФВД РАН; Лос-Аламосская национальная лаборатория, США)
Экспериментально установлено существование трех состояний одного и того же расплава AsS, отличающихся друг от друга по структуре ближнего порядка и физическим свойствам. Под давлением 2 ГПа молекулярная жидкость AsS превращается в ковалентную, а при дальнейшем сжатии до 5 ГПа - в металлическую. (ИФВД РАН)
Обнаружено возникновение огромного эффекта деформации кручения при приложении электрического поля к квазиодномерным проводникам с волной зарядовой плотности. Кручение наблюдается как в нитевидных квазиодномерных проводниках – TaS3, NbS3, (TaSe4)2I, так и в объемных кристаллах K0.3MoO3. Нормировка поверхностной сдвиговой деформации на электрическое поле дает величину 10–6 м/В и выше, что на много порядков превышает пьезомодули известных пьезоэлектриков. (ИРЭ РАН)
Проведены успешные эксперименты по кристаллизации белков на МКС в условиях невесомости. Завершены работы по рентгеноструктурному анализу белка генноинженерного инсулина человека. Структурные данные и координаты атомных моделей переданы в Международный банк белковых структур. (ИК РАН)
Обнаружены структурные превращения в монослоях In на подложке Si при формировании тонкого приповерхностного слоя сплава GexSi1-x с параметром решетки, большим, чем у исходной подложки. Искусственное изменение параметра решетки позволяет исследовать влияние поверхностных напряжений на процесс формирования поверхностных наноструктур и дает возможности для атомного конструирования на поверхности. (ИАПУ ДВО РАН)
Физическое материаловедение: новые материалы и структуры, в том числе фуллерены, нанотрубки, графены, другие наноматериалы, а также метаматериалы
Развита технология создания атомных и молекулярных наноструктур методом атомной оптики с размерами наноструктур до 30 нм и менее. Технология позволяет получать упорядочные массивы большого количества (до миллиона) идентичных наноструктур из металлов, элементов полупроводниковых соединений и биомолекул. Такие наноструктуры могут использоваться в качестве элементов приборов наноэлектроники и нанобиосенсоров. (ИСАН)
Предложен новый композитный функциональный материал с эффектом памяти формы, обеспечивающий обратимые деформации активного элемента. На его основе реализован прототип микропинцета с рекордно малыми габаритами – 1231 мкм. Микропинцет может быть использован в нанотехнологии, для трехмерной манипуляции нанообъектами: углеродными нанотрубками, живыми клетками, их органеллами и т.п. (ИРЭ РАН, ФТИ РАН, МИФИ, МИСиС)
Создана технология выращивания сапфировых лент с капиллярными каналами, позволяющая производить принципиально новые хирургические инструменты – скальпели с флуоресцентной диагностикой резецируемой ткани в окрестности режущего острия непосредственно в процессе хирургической операции по удалению злокачественных образований. (ИФТТ РАН)
Обнаружено, что сплавы Ti-Ni с эффектом памяти формы обладают уникальными трибологическими и физико-механическими свойствами: предел прочности – 1,6-1,8 ГПа; текучесть - 1,2-1,4 ГПа; реактивное напряжение – до 1,0-1,2 ГПа; обратимая деформация – до 9%. По сравнению с традиционными медицинскими металлическими материалами (например, коррозионностойкими сталями) их коэффициент трения в 1,5 раза меньше, а износостойкость на порядок выше. Формирование в объемных сплавах субмикрокристаллического состояния приводит к их еще большей износостойкости. Сплавы перспективны для применения в узлах трения, в частности, для изготовления искусственных суставов. (ИФМ УрО РАН)
Разработана структура и технология получения оксидного композитного волокна, введение которого в хрупкую матрицу на основе алюминида титана обеспечивает квази-пластическое поведение композита с прочностью на изгиб не менее 300 МПа при температурах от комнатной до 900оС и высокое сопротивление ползучести и малоцикловой усталости до той же температуры. Использование этого материала в авиационных двигателях существенно повысило бы их основные характеристики. Зарубежных аналогов такого материала нет. (ИФТТ РАН)
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
Создан оптический интерферометр с дифракционной волной сравнения для измерения с субнанометровой точностью формы светосильных оптических поверхностей, включая асферические, и волновых деформаций объективов. По ряду параметров созданный интерферометр существенно превосходит мировые аналоги. Создание такого интерферометра позволяет реализовать в России разработки объективов сверхвысокого разрешения для проекционной литографии, рентгеновской микроскопии и астрономии. (ИФМ РАН)
Осуществлено ахроматическое восстановление голограмм (АВГ), созданных с помощью фемтосекундного лазера. Такие голограммы содержат небольшое число периодов интерференционной картины, что позволяет получить АВГ, при котором голограмма действует подобно зеркалу сложной кривизны, и, таким образом, впервые реализовать идею Ю.Н. Денисюка, выдвинутую в 1963 году. (ИСАН)
Созданы одиночные лазерные диоды с выходной мощностью до 8 Вт с прогнозируемым сроком службы не менее 5000 часов и получена рекордная выходная мощность 25 Вт на длине волны 808 нм. (ФИАН)
Созданы лазеры с большим диапазоном перестройки частоты в полностью волоконном исполнении. В качестве селектора частоты применены волоконные брэгговские решетки (ВБР). Предложен и реализован метод синхронной перестройки нескольких ВБР, образующих резонатор лазера. Получен диапазон непрерывной перестройки 45, 65 и 50 нм в спектральных областях 1100, 1550 и 1300 нм для лазеров на основе световодов, легированных иттербием, эрбием и фосфором соответственно. Показано, что ограничение диапазона перестройки возникает из-за рассогласования резонансных длин волн ВБР при сжатии. (ИАиЭ СО РАН)
Разработана фемтосекундная лазерная установка для прецизионных измерений частот от УФ до радиодиапазона с относительной точностью 10–14 – 10–15, как основа мобильных фемтосекундных оптических часов наземного и космического базирования для решения задачи повышения точности координатного и временного обеспечения. С целью повышения точности фемтосекундных часов до 10–17–10–18 разработан оптический стандарт частоты нового поколения на основе ультра-холодных атомов магния, захваченных в магнитооптическую ловушку. Создана автоматизированная система регистрации и управления экспериментом по спектроскопии сверхвысокого разрешения атома магния и на первом этапе выполнено наблюдение поглощения на «часовом» переходе 1S03P1 атома магния. (ИЛФ СО РАН)
Создан и работает самый мощный в мире лазер на свободных электронах (ЛСЭ) в области терагерцового излучения со средней мощностью 500 Вт и длиной волны излучения 250–100 мкм. Осуществлен запуск второй очереди ЛСЭ в области λ = 100–30 мкм, впервые в мире получен режим рекуперации на ускорителе-рекуператоре с двумя дорожками, обеспечивающими четырехкратное прохождение электронного пучка через высокочастотные резонаторы ускорителя, получен проектный средний ток пучка 9 мА. (ИЯФ СО РАН)
Фундаменталь-ные основы лазерных технологий, включая обработку и модификацию материалов, оптическую информатику, связь, навигацию и медицину
Разработан и внедрен в клиническую практику лазерный хирургический комплекс «Лазурит» с параметрами излучения, позволяющими использовать его как для разрушения камней любого химического состава и любой локализации в организме человека, так и для выполнения оперативных вмешательств на мягких тканях. Сделаны успешные онкологические операции на кровонаполненных органах. Операции, проводимые с использованием комплекса «Лазурит», транслировались по оптоволоконным сетям в ряд российских и европейских медицинских учреждений в режиме реального времени. (ИОФ РАН, Российская медицинская академия последипломного образования Росздрава)
Разработан метод высокоэффективного (~100%) деления лазерного луча на множество независимо модулируемых лучей с сохранением в них пространственных характеристик исходного света. Метод позволяет создавать новые виды акустооптических устройств с предельно малыми оптическими потерями, такие как канальные мультиплексоры для оптических систем приема-передачи информации. (ИРЭ РАН)
Созданы волоконные лазеры на основе активных кварцевых волоконных световодов, легированных висмутом, генерирующие оптическое излучение в новом спектральном диапазне 1300-1520 нм, освоение которого позволит более чем на порядок увеличить пропускную способность волоконных линий связи. (НЦВО РАН)
Современные проблемы радиофизики и акустики, в том числе фундаментальные основы радиофизических и акустических методов связи, локации и диагностики, изучение нелинейных волновых явлений
В области акустики разработано новое поколение излучающих и приемных технических гидроакустических средств, которые закладывают базу для решения фундаментальных и прикладных задач акустики океана, в том числе акустической томографии океана, освещения подводной обстановки, измерения и контроля скрытности малошумных объектов. Созданы конструкции, опытные образцы и технология изготовления широкополосных, не имеющих аналогов за рубежом, излучателей в диапазоне частот от 100 до 3000 Гц с акустической мощностью до 100 кВт и кпд порядка 90%. (ИПФ РАН)
Созданы фундаментальные основы новых видов акустической томографии неоднородных природных сред, материалов и биологических объектов: термотомография, нелинейная акустическая томография, пассивная шумовая томография. Соответствующие методы и приборы позволяют решить принципиально новые практические задачи когерентной сейсмики, гидрофизики океана, акустического проектирования, вибродиагностики, а также медицинской диагностики. (ИПФ РАН, ИОФ РАН, МГУ, ИРЭ РАН, ИФЗ РАН)
В новых областях акустики – нано-фононике (нано-акустике) и в создании акустических мета-материалов – получены важные результаты. Установлена возможность создания «отрицательных» акустических сред с противоположно направленными фазовой и групповой скоростями, выяснены особенности аномальной рефракции и фокусировки такими средами, проведены эксперименты в кристаллах с сильной анизотропией сдвиговой упругости. Установлена роль акустической кавитации на эффективность доставки лекарств; использование 100-нм газовых пузырьков в полимерной оболочке в сочетании с ультразвуком приводит к 8-кратному увеличению концентрации лекарства в опухолевой ткани. (МГУ, ИОФ РАН, ИРЭ РАН, АКИН)
Разработаны методы и реализованы устройства управления рентгеновским пучком с помощью рентгеноакустических взаимодействий за счет создаваемого ультразвукового градиента параметра кристаллической решетки. Созданы схемы по отклонению, перемещению рентгеновского пучка, управлению его фокусировкой, коллимацией и расходимостью. (ИК РАН)
Фундаменталь-ные проблемы физической электроники, в том числе разработка методов генерации, приема и преобразования электромагнитных волн с помощью твердотельных и вакуумных устройств, акустоэлектроника, релятивистская
СВЧ-электроника больших мощностей, физика мощных пучков заряженных частиц
Для установок управляемого термоядерного синтеза реакторного масштаба предложен метод, позволяющий суммировать мощности от набора гиротронов и адаптивно сканировать суммарный волновой поток. Продемонстрирован квазиоптический резонансный диплексер, суммирующий излучение от двух ~140 ГГц/~0.5 МВт гиротронов и коммутирующий суммарный поток между выходными каналами с частотой до 20 кГц. (ИПФ РАН; Институт физики плазмы Общества Макса Планка, Германия)
Созданы уникальные плазменно-пучковые источники сверхмощного когерентного СВЧ излучения, основанные на взаимодействии прямолинейных электронных пучков с медленными плазменными волнами. Плазменный усилитель с релятивистским сильноточным электронным пучком обеспечивает высокое усиление и выходную мощность излучения более 50 МВт в импульсах длительностью в десятки наносекунд с плавной перестройкой частоты излучения в диапазоне 2,5–
3,5 ГГц. (ИОФ РАН)
Разработан метод и устройство генерации терагерцового излучения. Создана миниатюрная сэндвич-структура с сердцевиной из ниобата лития и кремниевыми обкладками, преобразующая фемтосекундные лазерные импульсы в терагерцовое излучение с рекордной на сегодня в мире эффективностью 0,12%. Развита теория эффекта преобразования, предсказывающая возможность повышения эффективности преобразования вплоть до нескольких процентов. (ИПФ РАН)
На основе обнаруженного эффекта осцилляций фото-напряжения при изменении концентрации двумерных электронов в полупроводниковой наноструктуре под действием СВЧ излучения реализован новый принцип детектирования в терагерцовом диапазоне. Он основан на когерентном резонансном усилении плазменных волн и их выпрямлении на специально приготовленном дефекте в электронной системе, введение которого позволяет управлять как амплитудой, так и знаком постоянного фото-напряжения. Изготовлен прототип многопиксельной матрицы детекторов, позволяющий получать изображения в диапазоне 0.1–0.6 ТГц со спектральным разрешением
2 ГГц и временем срабатывания элемента матрицы 1 нс, с мощностью эквивалентного шума
(1-3)10–14 W/Hz1/2 прирабочих температурах 140–170 К. (ИФТТ РАН)
Предложена новая схема для создания компактных мультигигаваттных источников сверхширокополосного (СШП) излучения на основе возбуждения многоэлементной решетки комбинированных антенн от одного генератора через фидерную систему, в которой совмещены функции трансформатора и делителя мощности. Это позволило увеличить число антенн в решетке и уменьшить ширину диаграммы направленности излучения. Создан источник СШП излучения с высокой направленностью и эффективным потенциалом до 3 МВ на основе возбуждения 64-элементной решетки от генератора биполярных импульсов с выходной мощностью более 3 ГВт при частоте повторения до 100 Гц. (ИСЭ СО РАН)
Реализован и исследован сверхбыстрый механизм коммутации тока в полупроводниках на основе туннельно-ударного ионизационного фронта. Получены импульсы амплитудой 150 кВ со временем нарастания 100 пс с максимальными скоростями роста тока 30 кА/пс и напряжения 1,5 МВ/пс. (ИЭФ УрО РАН)
Современные проблемы физики плазмы, включая физику высоко-температурной плазмы и управ-ляемого термо-ядерного синтеза, физику астро-физической плазмы, физику низко-температурной плазмы и основы ее применения в технологических процессах
Получены фундаментальные результаты в теории пылевой плазмы. Сформулированы критерии образования и объяснено наличие резких границ «войдов» – областей плазмы, свободных от пылевых частиц, – ранее предсказанных теоретически и обнаруженных в экспериментах, проводимых в условиях микрогравитации на МКС. Построена теория пылевых структур с новым геликоидальным (спиральным) типом симметрии, существование которых подтверждено экспериментально. (ИОФ РАН)
В экспериментах с плазмоидом анизотропных горячих ионов на газодинамической ловушке (ГДЛ) идентифицирована и исследована альфеновская ионно-циклотронная микронеустойчивость. Анализ параметров плазмы на пороге развития неустойчивости позволяет сделать важный вывод о том, что данная микронеустойчивость в проектируемом мощном (2 МВт) многоцелевом источнике нейтронов на основе ГДЛ возбуждаться не будет. (ИЯФ СО РАН)
Экспериментально установлено наличие нижней ионизованной области в дневной ионосфере Венеры. Применение новых высокоточных технологий для обработки данных двухчастотного радиопросвечивания станций «Венера-15,16» показало наличие ионосферных слоев с вертикальным масштабом 5-10 км на высотах от 80 до 120 км в дневной ионосфере и отсутствие подобных слоев в ночной ионосфере Венеры. (ФИРЭ РАН)
Современные проблемы ядерной физики, в том числе физики элементарных частиц и фундаментальных взаимодействий, включая физику нейтрино и астрофизические и космологические аспекты, а также физики атомного ядра, физики ускорителей заряженных частиц и детекторов, создание интенсивных источников нейтронов, мюонов, синхротронного излучения и их применения в науке, технологиях и медицине
Успешно завершен важнейший этап крупнейшего в истории науки международного мега-проекта в области фундаментальной физики – сооружение уникального научного комплекса Большого адронного коллайдера (LHC-БАК) на базе Европейского центра ядерных исследований в Женеве (ЦЕРН), в реализацию которого значительный вклад внесли научные центры и университеты России. (ИФВЭ, ИТЭФ, ВНИИЭФ и ВНИИТФ Росатома, ИЯИ РАН, ПИЯФ РАН, ИЯФ СО РАН, ИФТТ РАН, ФТИ РАН, РНЦ КИ, ОИЯИ, МГУ, СПбГУ)
На электрон-позитронном коллайдере ВЭПП-4М с детектором КЕДР завершена серия экспериментов по сверхточному измерению масс элементарных частиц. Среднемировая точность измерения масс улучшена в три раза для J/ψ и ψ'-мезонов и в два раза для ψ''-мезона, массы D-мезонов и τ-лептона измерены с наилучшей в мире точностью. Данные по массе τ-лептона позволят на новом уровне точности провести проверку гипотезы лептонной универсальности, одного из основных постулатов Стандартной Модели, провозглашающего равенство константы слабого взаимодействия для трех поколений лептонов. (ИЯФ СО РАН)
В международном эксперименте D0 с участием российских физиков впервые обнаружена новая частица ─ дважды странный барион Ωb─, состоящий из b-кварка и двух s-кварков. В этом же эксперименте было впервые наблюдено парное образования Z-бозонов и измерено сечение этого процесса. Эти исследования являются важной проверкой Стандартной модели. (ИФВЭ)
В международном эксперименте Belle на e+e– коллайдере KEKB (Япония) исследован распад B → K–π+χc1 и обнаружены в спектре инвариантных масс π+χc1 комбинаций вблизи 4.1 ГэВ/c2 два перекрывающихся пика. Этот сигнал может означать обнаружение четырехкварковых состояний, аналогичных ранее наблюдавшемуся экзотическому резонансу Z(4430)+. (ИТЭФ)
В рамках эксперимента NA48 в ЦЕРНе при значительном вкладе сотрудников ОИЯИ проведен анализ распадов K3π(K→ ) и Ke4 (K→ с+е– Извлечены значения длин ππ рассеяния
(S-волны) с изотопическим спином 0 и 2 с экспериментальной погрешностью в несколько процентов, что дает возможность для проведения прецизионной проверки предсказаний Киральной Пертурбативной Теории. (ОИЯИ)
В области теории получены важные результаты.
Найдено описание всех классических решений теории струн в четырехмерном пространстве анти-де Ситтера с помощью метода, сводящего задачу к изучению алгебраических кривых. В рамках AdS4/CFT3-дуальности предложена система уравнений (типа уравнений Бете), которая в определенной асимптотике дает спектр теории при всех значениях константы связи. (ПИЯФ РАН)
Найдены поправки к полной ширине распада ортопозитрония в девятом порядке по постоянной тонкой структуры. Результат получен в замкнутой аналитической форме, позволяющей вычислять эти поправки с произвольной точностью, и воспроизводит лучшие численные оценки в пределах их точности. Полученный результат важен для прецизионной проверки справедливости квантовой электродинамики. (ОИЯИ)
Исследованы свойства темной материи в суперсимметричных обобщениях Стандартной модели. Определена область параметров, в которой легкие гравитино образуют теплую темную материю. Разработана подробная теоретическая модель мелкомасштабного распределения темной материи в гало Галактики и показана возможность косвенной регистрации нейтралино внеатмосферными детекторами по жесткому гамма-излучению, возникающему в результате аннигиляции этих частиц в плотных самогравитирующих сгустках с массой порядка массы Луны или Земли. (ИЯИ РАН)
Исследованы процессы адронизации кварк-глюонной плазмы, образующейся в столкновениях релятивистских ядер. Показано, что аномально большие значения коэффициента объемной вязкости, ожидаемые вблизи температуры фазового перехода, способствуют формированию кварковых капель. Получено объяснение коротких времен адронизации, наблюдаемых в столкновениях ядер при энергиях ускорителей SPS и RHIC. Найден динамический отклик ядра на внесенный антипротон. (РНЦ КИ)
Вычислена средняя множественность адронов в распадах W-бозонов. Оценена разность множественностей в событиях с распадом W-бозона на адроны с рождением и без рождения чарма. Прекрасное согласие этих результатов с данными коллайдера LEP подтверждает универсальный характер механизма образования адронов в жестких процессах. (ИФВЭ)
В эксперименте ФЕНИКС на коллайдере RHIC (БНЛ, США) с участием российских физиков завершен анализ измеренных с высокой точностью дифференциальных сечений рождения 0-мезонов, эллиптических потоков -мезонов и (анти)дейтронов в p+p и Au+Au столкновениях при энергиях сталкивающихся ионов 100 ГэВ/нуклон. Обнаружено, что степень подавления выхода 0-мезонов остается постоянной в области импульсов, больших 5 ГэВ/с, и возрастает с увеличением центральности ядро-ядерных взаимодействий. Наиболее вероятным объяснением обнаруженного эффекта являются энергетические потери жестко рассеянных партонов, движущихся в плотной, горячей сильновзаимодействующей партонной среде, с ярко выраженными коллективными свойствами, характеризуемой высокой начальной глюонной плотностью (dNg/dy ~ 1400) и плотностью энергии (0 ~ 20 ГэВ/фм3). (ПИЯФ РАН, РНЦ КИ, ИФВЭ)
Для ультра-холодных нейтронов (УХН) с длиной волны ~10 нанометров в принципе возможно наблюдение квантовых эффектов в макроскопических масштабах. Для этого была создана периодическая магнитная структура с использованием постоянных магнитов с градиентом 2,8 Т/мм. Эксперимент проведен на пучке УХН реактора Института Лауэ-Ланжевена. Впервые наблюдено макроскопическое квантование траекторий движения нейтрона в магнитном канале, стенки которого образованы градиентом магнитного поля квадрупольного типа. Результаты согласуются с квантовым расчетом. (ПИЯФ РАН)
Завершена обработка экспериментальных данных по поиску неизвестных ранее сверхтяжелых (за границей стабильности) изотопов лития 12Li и 13Li. Эксперимент проводился в Дармштадте (ФРГ) на пучке радиоактивных ядер 14Be с энергией 304 МэВ/нуклон с использованием жидководородной мишени и магнитного сепаратора FRS. Результаты анализа показывают, что 12Li может быть описан как виртуальное s-состояние с длиной рассеяния 22,4 фм. Изотоп лития 13Li обнаружен в виде широкого резонанса при энергии около 1,5 МэВ. Полученные результаты противоречат проведенным ранее теоретическим расчетам по оболочечной модели. Изучение структуры нейтроно-обогащенных ядер за границей стабильности (число которых теперь достигло 14) важно и для уточнения моделей нейтронных звезд. (РНЦ КИ)
На Баксанской нейтринной обсерватории введена в строй новая подземная лаборатория, расположенная на рекордной глубине около 5000 метров водного эквивалента внутри горы Андырчи на Северном Кавказе. В лаборатории обеспечены уникальные условия сверхнизкого радиационного фона для проведения фундаментальных исследований и решения прикладных задач в области ядерной физики, радиационной биологии и метрологии. (ИЯИ РАН)
Закончен объединенный анализ измерений за 18-летний период на галлий-германиевом нейтринном телескопе Баксанской нейтринной обсерватории, который в настоящее время является единственным в мире детектором, обеспечивающим наблюдение суммарного потока нейтрино от всех термоядерных реакций, протекающих в Солнце. Полученная величина потока приходящих на Землю нейтрино очень хорошо согласуется с предсказанием Стандартной солнечной модели с учетом нейтринных осцилляций и результатов уникальных экспериментов с искусственными источниками нейтрино. (ИЯИ РАН)
Начат набор данных в международном эксперименте OPERA в подземной лаборатории Гран-Сассо (Италия), выполняемом с участием российских специалистов. Эксперимент предназначен для исследования эффекта нейтринных осцилляций в пучке нейтрино от ускорителя SPS в CERN. (ОИЯИ, ИТЭФ, ИЯИ РАН, ФИАН, НИИЯФ МГУ)
В ходе орбитального эксперимента ПАМЕЛА (Россия, Италия, Германия, Швеция) выполнены измерения отношения потока антипротонов к потоку протонов в области энергий (1–100) ГэВ, которые позволили внести ясность в проблему происхождения антипротонов в космических лучах и сделать вывод, что ядерные взаимодействия космических лучей с межзвездным веществом являются основным механизмом образования антипротонов в Галактике. В этой же области энергий получен и другой, интереснейший результат – обнаружен рост отношения потока позитронов к суммарному потоку электронов и позитронов для частиц с энергией более 20 ГэВ, что может оказаться проявлением эффекта аннигиляции частиц темной материи в нашей Галактике. (МИФИ, ФИАН, ФТИ РАН)
Обнаружен эффект влияния молний на интенсивность мюонов с пороговой энергией около
100 МэВ. Эффект заключается в скачкообразном изменении интенсивности мюонов на величину (0.5–1)% одновременно с молнией и восстановлении к прежнему уровню с характерным временем порядка 1,5 мин. Таким образом, получено подтверждение того, что спорадические вариации мюонов во время гроз действительно связаны с электрическим полем грозовых облаков. (ИЯИ РАН)
В энергетическом спектре галактических электронов, измеренном в российско-американском эксперименте ATIC, обнаружен избыток в области энергий 300–800 ГэВ. В качестве возможных причин происхождения избытка рассматриваются вклад близкого источника (расстояние меньше 3000 световых лет) и эффект аннигиляции частиц темной материи. (НИИЯФ МГУ)
Измеренная на комплексе НЕВОД-ДЕКОР интенсивность многомюонных событий при больших зенитных углах от первичных частиц с энергией порядка 1018 эВ значительно выше предсказаний широко распространенных моделей адрон-ядерных взаимодействий QGSJET01, SIBYLL, EPOS. (МИФИ)
В рамках работ на комплексе ПАВИКОМ по изучению спектров сверхтяжелых ядер в составе первичного космического излучения по данным измерений в кристаллах оливинов из метеоритов исследовано 1887 треков тяжелых и сверхтяжелых ядер (Z>35) космического излучения и построено зарядовое распределение обнаруженных ядер космических лучей. Найдено 92 трека, минимальная оценка заряда которых соответствует ядрам с Z>90. (ФИАН)
В международных экспериментах на подземных установках OPERA и LVD в Италии получена величина отношения числа положительных мюонов к отрицательным для диапазона энергий
(0.9–3.0) ТэВ. На установке OPERA для избытка положительных мюонов получена величина 1.330.06, а по данным LVD – 1.26 с методической ошибкой 0.11 и статистической 0.04. (ИЯИ РАН)
Предложена и детально разработана теория происхождения космических лучей сверхвысоких энергий, которая позволила предсказать ряд особенностей спектра таких частиц. Эти спектральные особенности использованы для нормировки данных всех известных экспериментов, что позволило впервые согласовать эти разнородные данные в рамках единой модели с протонным составом первичных космических лучей. (ИЯИ РАН)
Показано, что нерелятивистские ударные волны, порождаемые релятивистскими джетами из активных галактических ядер, эффективно ускоряют заряженные частицы вплоть до энергий
ε ~ 1020 эВ и способны обеспечить формирование наблюдаемого в Галактике спектра космических лучей при энергиях ε > 1018 эВ. (ИКФИА СО РАН)
Завершено сооружение и осуществлен физический запуск электрон-позитронного коллайдера ВЭПП-2000. В ходе пробных экспериментов достигнута рекордная для односгусткового режима светимость 1031 см–2сек–1 при энергии 500 МэВ в пучке. Полученные результаты доказывают перспективность метода круглых пучков и достижения проектной светимости 1032 см–2сек–1 при энергии около 1 ГэВ в пучке. Подтверждена эффективность секционирования сверхпроводящих обмоток в фокусирующих соленоидах коллайдера с магнитным полем 130 кГс для получения оптимальной фокусировки пучков в месте встречи в широком диапазоне по энергии. Комплекс ВЭПП-2000 с универсальными детекторами СНД и КМД-3 позволит выйти на новый уровень точности и чувствительности в изучении физики высоких энергий в области энергий до 2 ГэВ в системе центра масс. (ИЯФ СО РАН)
На ускорителе У-70 введены в рабочем режиме оба дефлектора СВЧ-сепаратора частиц.
В результате на экспериментальной установке «ОКА» получен пучок вторичных частиц с 25% содержанием К+-мезонов при импульсе частиц 12.5 ГэВ/с (25-кратное обогащение пучка). Успешное проведение сеанса обеспечено за счет надежной работы всех систем экспериментального комплекса «ОКА», в том числе крупнейшей в России криогенной системы, охлаждающей дефлекторы сепаратора сверхтекучим гелием до температуры 1.8 К. Таким образом, создана исследовательская база мирового уровня для изучения редких распадов К-мезонов и процессов радиоактивных превращений. (ИФВЭ)
Разработан, изготовлен и установлен в Центре коллективного пользования «Геохронология Кайнозоя» ускорительный масс-спектрометр для определения ультрамалых количеств космогенных изотопов. Основная направленность прибора – датировка археологических образцов по изотопу углерода 14C. Экспериментально продемонстрирована возможность получения чувствительности лучше 10–13. Возможность определения малых количеств изотопов открывает широкие перспективы для исследований в области археологии, экологии, медицины и других областях исследований. (ИЯФ СО РАН)
Опробована с пучком система когерентной ВЧ гимнастики в протонном синхротроне У-70; тем самым обеспечены требования к длительности сгустка для протонной радиографии. (ИФВЭ)
Продолжены эксперименты с синхротронным излучением на станциях, расположенных на каналах вывода пучка СИ накопителя ВЭПП-3. На станциях проводили работы исследовательские группы из более чем 60 институтов РАН и других российских и зарубежных организаций. Запущена в эксплуатацию специальная метрологическая станция «Космос» на накопителе ВЭПП-4М, предназначенная для абсолютных и относительных калибровок различной аппаратуры в широком спектральном диапазоне фотонов от 10 эВ до 10 кэВ. (ИЯФ СО РАН)
Произведен физический пуск источника резонансных нейтронов ИРЕН. Генерация нейтронов осуществляется на пучке электронов линейного ускорителя, разработанного ИЯФ СО РАН. На вольфрамовой мишени, установленной в мишенном зале источника, получен импульсный пучок электронов с энергией около 20 МэВ и током до 0,4 А. Это позволило осуществить первую генерацию резонансных нейтронов с их регистрацией во время-пролетном режиме. (ОИЯИ)
Многоцелевой ускорительно-накопительный комплекс ИТЭФ-ТВН в 2008 году отработал свыше 4900 часов (рост 9%) для выполнения экспериментов по фундаментальным и прикладным исследованиям. Выполнен комплекс исследовательских работ по ускорению ионов Al10+ и Fe16+ в бустерном синхротроне УК до предельной энергии этого кольца с последующим выводом и многократной перезарядной инжекцией пучка в накопительное кольцо У-10. (ИТЭФ)
Современные проблемы астрономии, астрофизики и исследования космического пространства, в том числе происхождение, строение и эволюция Вселенной, природа темной материи и темной энергии, исследование Луны и планет, Солнца и солнечно-земных связей, исследование экзопланет и поиски внеземных цивилизаций, развитие методов и аппаратуры внеатмосферной астрономии и исследований космоса, координатно-временное обеспечение фундаментальных исследований и практических задач
Измерение плотности энергии космических лучей, магнитных полей и турбулентных движений в горячем (десятки миллионов градусов) газе скоплений галактик является важной задачей современной астрофизики.
Реализован новый метод таких измерений на основе данных оптических и рентгеновских наблюдений. Звезды и горячий газ, излучающий в рентгеновском диапазоне волн, находятся в едином гравитационном потенциале, создаваемом темной материей и обычным веществом. Распределение звезд, в отличие от газа, определяется исключительно гравитацией. Сравнение рентгеновских и оптических изображений, вместе с измерениями температуры газа и дисперсии скоростей звезд, позволило определить плотность энергии космических лучей, магнитных полей и микротурбулентности, которая составила около 10% от тепловой энергии газа. Этот метод позволяет по данным рентгеновских обсерваторий проводить более точные измерения полных масс скоплений галактик и содержания в них «темной материи», что крайне важно для определения основных параметров Вселенной. (ИКИ РАН совместно с ESA)
Получены важные результаты по структурам и турбулентности в системах двойных звезд. На специально построенной лабораторной установке с дифференциально-вращающейся мелкой водой проведено моделирование спиральных структур, возбуждаемых неустойчивостью сверхотражения. Методом численного моделирования определены параметры спиральных волн плотности в аккреционном диске тесной двойной звездной системы. На основе наблюдательных данных и разработанной теоретической модели рассчитан степенной спектр крупномасштабной турбулентности в аккреционном диске тесной двойной системы IP Peg. (ИНАСАН, РНЦ КИ)
На основе современных космологических наблюдательных данных о распределении скоплений галактик и анизотропии реликтового излучения по результатам наблюдений на спутнике WMAP получено новое независимое верхнее ограничение на сумму масс нейтрино трех форматов (электронного, мюонного и тау): < 1.05 эВ с уровнем достоверности 95%. Данные по крупномасштабной структуре скоплений галактик получены путем обработки результатов миссии ROSAT в предположении об универсальности барионной фракции во Вселенной, обоснованной теоретически, данными наблюдений и численным моделированием. (ФИАН)
На БТА с применением метода спектринтерферометрии обнаружено, что система субкарликов G89-14 с металличностью – 1.9 в гало Галактики состоит из четырех компонент (с массами от 0.67 до 0.22 масс Солнца) и является самой низкометалличной из известных четверных звезд. Это свидетельствует о том, что система образовывалась в среде с низким содержанием металлов. Соотношение орбитальных периодов подсистем четверной звезды 0.52:3000:650000 лет указывает на высокую иерархичность и устойчивость системы. Существование подобных объектов доказывает способность звездных систем высокой кратности сохраняться в результате динамической эволюции за время, сравнимое с возрастом Галактики. (САО РАН)
Построена теоретическая картина формирования линий излучения молекул в плотной межзвездной среде. Эти линии являются основным, а часто и единственным источником знаний о свойствах ядер молекулярных облаков – прародителей звезд – и о процессах, протекающих на ранних стадиях звездообразования. Разработан подход к исследованию спектральных карт дозвездных и протозвездных объектов, в котором сочетаются современный метод расчета переноса излучения и самосогласованная модель динамической и химической эволюции межзвездной среды. Анализ большого объема наблюдательных данных позволил прояснить роль основных факторов, определяющих характеристики спектров излучения этих объектов. Данный подход лег в основу мощного теоретического инструмента для всесторонней интерпретации наблюдательных данных об одном из важнейших процессов во Вселенной – процессе рождения звезд. (ИНАСАН)
На основе синоптических наблюдений Кисловодской горной станции создан комплекс баз данных о длительном поведении солнечной активности, параметризуемой рядами ее основных индексов. Показано, что кисловодские ряды классических индексов солнечной активности, сохраняя основные принципы мировой Службы Солнца (непрерывность, регулярность и однородность рядов), являются наилучшими для продолжения данных мировых синоптических солнечных наблюдений с 70-х – 80-х годов XX века по настоящее время. (ГАО РАН)
На основе простейшей модели солнечного динамо Паркера построено широтно-временное распределение магнитной и токовой спиральности. Определены значения параметров модели, при которых это распределение наиболее близко воспроизводит наблюдаемое. На основе анализа наблюдательных данных по измерению полного вектора магнитного поля в активных областях впервые показано, что знак антисимметричности спиральности относительно солнечного экватора сохранился при переходе от 22-го к 23-му солнечному циклу. (ИЗМИРАН, МГУ)
Обнаружена спиральная структура магнитного поля над солнечными пятнами по многочастотным поляризационным радионаблюдениям на телескопе РАТАН-600. Показано, что силовая трубка магнитного поля распространяется вверх по спирали шириной ~ 0.4 градуса. Магнитные поля величиной около 600 Гс находятся на достаточно больших высотах в короне Солнца – до 25 тыс. км. (САО РАН, СПбГУ)
На основе данных спутников «Кластер» и «Геотэйл» построены модели формирования нестационарных структур магнитного и электрического поля, отвечающих за ускорение плазмы в хвосте магнитосферы Земли. Модель сдвиговой деформации в толстом плазменном слое рассматривает независимое вертикальное движение отдельных магнитных силовых трубок, в результате которого возникают сильно наклоненные токовые слои и осцилляции наклона слоя, обнаруженные ранее в эксперименте. Установлено наличие в токовом слое геомагнитного хвоста пространственно локализованных источников неадиабатического ускорения ионов двух типов, различающихся по энергиям и распределением по скоростям. В рамках созданной модели дано объяснение. (ИКИ РАН)
Построена высокоточная численная теория движения астероида Apophis (99942) и определены параметры его орбиты из обработки всех имеющихся оптических и радиолокационных наблюдений. Линейным и нелинейным методами найдены параметры эллипсоида рассеяния возможных положений астероида в момент наибольшего сближения с Землей 13 апреля 2029 г. Результаты исследования полностью исключают возможность столкновения астероида с Землей в 2029 г. и с большой вероятностью – в 2036 г. (ИПА РАН)
Для вещества нейтронных звезд плотностью в миллиард тонн на кубический сантиметр построена кинетическая теория с учетом динамического плазменного экранирования при обмене поперечными плазмонами. В результате кардинальным образом изменились наши представления о кинетических свойствах сверхплотного вещества: теплопроводности, вязкости и др. Полученные результаты исключительно важны для моделирования эволюции нейтронных звезд и других объектов, состоящих из вещества сверхъядерной плотности, изучение которого невозможно в лабораторных условиях. (ФТИ РАН)
С помощью широкопольной российско-итальянской камеры высокого временного разрешения TORTORA впервые проведены наблюдения оптического компаньона гамма-всплеска (GRB080319B) в течение всего интервала его гамма-активности с временным разрешением 0,13 с. Обнаружена тонкая временная структура кривой блеска этой оптической вспышки, достигающей в максимуме 5,3 звездной величины: 4 эквидистантных (интервал ~ 9 секунд) пика, скоррелированых с вариациями гамма-излучения, что может свидетельствовать о периодической активности «внутренней машины» гамма-всплеска. В течение последнего пика обнаружены осцилляции с периодом 1 с и амплитудой
~ 10%. Столь быстрые вариации оптического блеска впервые обнаружены у астрономического объекта на космологическом расстоянии. Полученные результаты требуют как существенного пересмотра современных моделей гамма-всплесков, так и дальнейших детальных исследований оптического излучения, сопровождающего гамма-всплески. (САО РАН; ФГУП НИИПП; Болонский университет, Обсерватория Брера, Италия)
