«Ф 80 Форум молодых учёных. Тезисы докладов. Том 1. – Нижний Новгород: Изд–во ННГУ им. Н.И. Лобачевского, 2013. – 317 с. Том 1 настоящего сборника включает в себя тезисы докладов Форума молодых учёных ННГУ, ...»

УДК 082.2:061.3

ББК (я)94

Ф 80

Ф 80 Форум молодых учёных. Тезисы докладов. Том 1. – Нижний

Новгород: Изд–во ННГУ им. Н.И. Лобачевского, 2013. – 317 с.

Том 1 настоящего сборника включает в себя тезисы докладов «Форума молодых

учёных» ННГУ, представленных молодыми преподавателями, научными сотрудниками,

аспирантами и студентами ННГУ в рамках исследований по направлениям «Физика,

радиофизика, науки о материалах», «Химия, новые материалы и технологии», «Биология, биофизика и биомедицина», «Математика, информационные технологии и механика», «Экономика знаний и предпринимательство».

Материалы сборника посвящены актуальным проблемам в соответствующих областях знания, активно развиваемых в рамках научных платформ ННГУ, и представляют интерес для преподавателей, аспирантов, и студентов старших курсов, специализирующихся в соответствующих областях науки.

УДК 082.2:061. ББК (я) ©Нижегородский государственный университет им. Н. И. Лобачевского, Содержание Пленарное заседание………………………………………………………… Секция «Биология, биофизика и биомедицина»…………………………. Секция «Математика, информационные технологии и механика»…….. Секция «Физика, радиофизика, науки о материалах»…………………… Секция «Химия, новые материалы и технологии»………………………. Секция «Экономика знаний и предпринимательство»…………………... Авторский указатель………………………………………………………… Пленарное заседание Пленарное заседание Инновационное предпринимательское образование в исследовательском университете. Опыт ННГУ Ю.О. Плехова Экономический факультет, Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского, Н. Новгород, Россия [email protected] Современную экономику развитых стран зачастую характеризуют как экономику знаний или инновационную экономику. По своей природе знания быстро обновляются.

Воплощаясь в новом товаре или услуге, новое знание приводит к инновациям. Экономика знаний постоянно генерирует инновации – превращает новые знания в новые товары и услуги.

Основными чертами инновационной экономики являются следующие: высокая доля сферы услуг в структуре экономики (в США в этой сфере работает свыше 75% всех занятых); рост затрат на образование и научные исследования (отношение затрат на образование и науку в экономически развитых странах к ВВП составляет около 6,5%, в России этот показатель – 3,7%); прогресс в информационно-коммуникационной сфере, который сделал возможным прирост знания, облегчил доступ к нему, расширил возможности распространения и использования знаний во всех сферах общественной жизни; развитие корпоративных и персональных сетей; формирование национальной инновационной системы, включающей инфраструктуру фундаментальной науки, центров трансфера технологий, венчурных фондов; развитие сферы образования, когда среднее образование стало всеобщим, а высшее образование массовым, охватывающим до 60% населения соответствующего возраста, когда реализуется концепция образования в течение всей жизни; интернационализация экономик различных стран.

Главным ресурсом развития инновационной экономики являются высококвалифицированные специалисты, обученные инновационной предпринимательской активности, умеющие осуществлять инновационную деятельность в своей сфере знания. Именно в таких сотрудниках нуждаются крупные корпорации, средний и малый бизнес. В связи с этим ведущие университеты страны должны обучать навыкам в области предпринимательства. Так, в стратегии развития ННГУ- Пленарное заседание определяющее конкурентное преимущество в среде участников развития инновационного общества знаний определено как «подготовка высококвалифицированных специалистовтворцов, обладающих качествами инноваторов-предпринимателей» Доля [2].

выпускников, прошедших обучение по предпринимательству согласно целевым показателям стратегии развития ННГУ должна составлять к 2020 году 70%. Однако инновационное предпринимательское образование является актуальным не только для студентов.

Система подготовки, переподготовки и повышения квалификации кадров в области инновационного менеджмента Нижегородского университета охватывает такие важные для инновационного развития университета направления как: подготовка административно-управленческого персонала и научно-педагогических работников;

массовая предпринимательская подготовка студентов; подготовка профессорскопреподавательского состава (в том числе для обеспечения массовой подготовки студентов); подготовка аспирантов и молодых ученых в сфере коммерциализации результатов исследований и разработок; инновационная подготовка научных и инженерно-технических сотрудников; целевая подготовка менеджеров для малых инновационных предприятий, созданных с участием университета; специальная подготовка участников программы «У.М.Н.И.К.» Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере; повышение квалификации сотрудников предприятий – партнеров ННГУ по реализации программы развития ННГУ как национального исследовательского университета.

Организация предпринимательского образования в университете осуществляется через систему дополнительного профессионального образования при сочетании групповых и индивидуальных форм обучения. Следует отметить модульную структуру построения образовательных и учебно-консультационных курсов, привлечение в качестве преподавателей и тренеров специалистов-практиков из сферы высокотехнологичного бизнеса. Особое внимание уделяется разработке учебно-методического обеспечения для всех программ предпринимательского образования, в том числе мультимедийных курсов для дистанционного обучения.

Таким образом в Нижегородском университете решается главная задача университета – подготовка конкурентоспособного на рынке труда специалистаинноватора. И именно на это направлена инновационная предпринимательская подготовка.

Список литературы Грудзинский А.О., Бедный А.Б. Инновационная инфраструктура вуза как лаборатория для подготовки инноваторов // Материалы VI Международного форума: От науки к бизнесу "Коммерциализация наукоемких технологий: опыт регионов, роль вузов", 16- мая 2012. Санкт-Петербург. 2012. С. 54–57.

http://www.unn.ru/general/2020.html Коммуникация и одиночество. Опыт диалектического анализа Филологический факультет, Нижегородский государственный университет Не коммуницируешь – значит, не существуешь. Императив современного информационно-потребительского общества безусловен и безапелляционен.

Медиальность, т.е. необходимость присутствия в медиапространстве для любого субъекта социальных отношений, есть важнейшее условие его жизнеспособности.

К медиальному состоянию индивида подталкивает и вся нынешняя разветвленная система медиагаджетов. Сегодня практически любое состояние человека, от физиологического до высокодуховного, сопряжено с необходимостью использования технических средств усиления воспринимающих/передающих свойств личности, то есть, в конечном итоге, сводится к коммуникации.

Рекурсивный поток коммуникативных технологий вовлекает в себя все новые поколения, оставляя взрослых и пожилых на обочине ускоряющегося мейнстрима, уныло и одиноко взирающих на стремительно проносящиеся перед их глазами образы некогда живых, некогда разумных, некогда любящих и сопереживающих людей. «Аналоговая»

этика, культура, даже социальность – все остается в прошлом. На смену приходит сетевая этика; вместо литературы – сетература; музыка для того, чтобы прозвучать, прежде должна быть скачана с торрентов и сохранена в определенных форматах, обусловленных гаджетами; вместо социального взаимодействия возникают причудливые флэш-мобы.

Современный медийный поток оставляет за границами своего внимания громадные социальные группы. Кроме пожилых, это еще и дети, и инвалиды, и просто больные, а еще – многодетные семьи и даже люди реального труда. Центр внимания коммерческих СМИ (а они составляют подавляющее большинство медиа) сосредоточен на «успешных», то есть, говоря честно, на платежеспособных, прежде всего, на женщинах 25-45 лет и на мужчинах, которые немного старше своих спутниц. Привычная картина нынешней российской социальности: престарелый ветеран, ежедневно с трудом пробирающийся к почтовому ящику для того, чтобы вынуть из него очередную рекламную газетку, наполняющую его мир химерами кошмаров, секса и оккультных видений. На так называемую «качественную прессу» у него попросту нет денег, а денег у него нет потому, что государство не может уделять ему должного внимания, так как ветеран – это аутсайдер медийных процессов, он словно бы и не живет.

Одиночество становится самоценным в бушующем вихре «информационного мусора» (Г. Шиллер), поскольку уравновешивает собой две противоположности:

«традиционные ценности» и ницшеанскую тягу человека к трансцендентному, которую слишком охотно и чересчур повсеместно эксплуатируют медиатехнологи. Одиночка, фрик, экзотический персонаж – это искаженное отражение изначальной самоценности человека. Миллионы просмотров в социальных сетях получают «Света из Иваново», постепенно ставшая «молодежным лицом» партии «Единая Россия», или «Рома Желудь», приглашенный в «реальную» шоу-программу в качестве соведущего у «раскрученного»

конферансье И. Урганта. Популярность этих людей обеспечена их виртуальностью.

Выходя из цифровых лабиринтов в буквальном смысле на Свет Божий, они мгновенно теряют в своем обаянии, поскольку начинают конкурировать с «молчаливым большинством».

Бодрийяровская ирония по поводу этого «большинства», имплозивного и глухо сопротивляющегося всему новому, сегодня начинает выглядеть особенно циничной и поверхностной в свете недавних законодательных актов во Франции, позволивших сексуальным меньшинствам заключать однополые браки и заставивших выйти на протестные демонстрации миллионы обыкновенных людей, оскорбленных этим апофеозом постмодерна.

Когда меньшинство начинает диктовать собственные правила большинству, возникает особая форма коллективного одиночества. Коммуникативные средства, то есть, медиа, выступают здесь как катализатор неравенства. Но вот парадокс: они же, сепарируя социальность на «медийную» и «реальную» превращают агрессивное меньшинство в колосса на глиняных ногах, разрушая его изнутри. Потому что медиа – это всегда соблазн, это всегда коммуникация будущего, вернее, коммуникация о будущем, отталкивающаяся от привычного настоящего. «Привычным настоящим» сегодня становится тоталитаризм меньшинств и фриков. Человек, с его ницшеанской тягой к трансцендентному, снова ищет путь к духовному заполнению собственного бытия.

Список литературы 1. Бодрийяр, Ж. В тени молчаливого большинства, или Конец социального / Ж.

Бодрийяр; пер. с фр. Н. В. Суслова. – Екатеринбург : УрГУ, 2000.

2. Фортунатов А.Н. Медиареальность: в плену техногуманизма. Монография. Н.Новгород, Изд-во ННГУ им. Н.И.Лобачевского.

Конкурсная поддержка научных исследований, выполняемых Физический факультет, Нижегородский государственный университет Научно-исследовательский физико-технический институт, В последние годы Министерство образования и науки РФ, Российская академия наук и российские научные фонды уделяют повышенное внимание поддержке научных исследований, выполняемых под руководством и с участием молодых учёных. К категории молодых учёных и специалистов в большинстве случаев относят молодых учёных без степени (в том числе студентов и аспирантов) и кандидатов наук в возрасте до 35 лет, и докторов наук в возрасте до 40 лет. Такая классификация позволяет участвовать в конкурсах на получение финансовой поддержки на наиболее ответственных этапах становления научной карьеры при подготовке диссертационных исследований, а также на этапе самостоятельной работы после получения учёной степени (аналог post doctoral position в зарубежных вузах).

Основными фондами, поддерживающими фундаментальные исследования, являются Российский фонд фундаментальных исследований (РФФИ, www.rfbr.ru) – в области естественных наук – и Российский гуманитарный научный фонд (РГНФ, www.rfh.ru) – в области гуманитарных и социальных наук. В последние годы эти фонды предлагают ряд специальных конкурсов на поддержку исследований, выполняемых под руководством молодых учёных: «Мой первый грант», «Исследования, выполняемые ведущими молодёжными коллективами» и другие. Следует также отметить эффективно действующую программу грантов Президента РФ для поддержки исследований, выполняемых под руководством молодых кандидатов и докторов наук (grants.extech.ru).

Отдельное внимание в докладе уделено особенностям организации конкурсной поддержки молодых учёных в рамках Федеральной целевой программы «Научные и представляет собой попытку государства реализовать системный подход к решению насущной проблемы сохранения и приумножения научных и научно-педагогических кадров путем поддержки научных исследований коллективов вузов и научных организаций. Мероприятия по поддержке молодых исследователей пользовались большой популярностью в период действия программы (с 2009 по 2013 г.) и будут развиты на новом качественном уровне в рамках нового варианта программы, в котором в период с 2014 по 2020 г. под одним флагом будут логично объединены мероприятия по поддержке крупных научных центров лабораторий), акцентированной поддержке молодежных коллективов и, что наиболее важно, развитию их внутрироссийской и международной мобильности. Впервые будут поддерживаться крупные проекты вузов и научных центров, выполняемые начинающими исследователями высшей квалификации (на западный манер – постдоками), привлеченными из сторонних организаций на основе срочного трехлетнего трудового договора. Специальные гранты будут выделяться на поддержку стажировок молодых учёных в ведущих мировых научно-образовательных центрах (сроком до одного года).

Поддержку молодых учёных, аспирантов и студентов осуществляют также негосударственные фонды. Например, Фонд некоммерческих программ «Династия»

(www.dynastyfdn.com) уже длительное время осуществляет поддержку активных студентов, аспирантов, молодых кандидатов и докторов наук, работающих в области фундаментальной физики (а в последние годы – и в области математики и биологии).

Победителями таких конкурсов регулярно становятся молодые учёные, аспиранты и студенты из Нижегородского государственного университета им. Н.И. Лобачевского.

Таким образом, активные и целеустремленные молодые учёные имеют широкий спектр возможностей для поддержки научных исследований еще на их докоммерческой стадии. Общим принципом формирования небольших творческих коллективов (до 5- человек) для выполнения НИР в течение 2-3 лет под руководством молодых учёных является требование участия в составе различных групп исполнителей (молодые кандидаты наук, аспиранты, студенты), публикация результатов исследований в ведущих российских и международных изданиях с высоким импакт-фактором, а также участие молодых исследователей в российских и международных научных конференциях и стажировках. В ближайшее время особое внимание будет уделяться такому показателю результативности учёного, как количество цитирований, приходящееся на одну опубликованную статью. Данные принципы позволяют не только повышать уровень поддержки молодых исследователей, аспирантов и студентов, но и формировать на основе выполняемых проектов профессиональные компетенции и опыт для будущих исследователей, работающих в российской науке и образовании.

Секция «Биология, биофизика и биомедицина»

Образование побегов и корней табака и гороха in vitro на средах с Биологический факультет, Нижегородский государственный университет Применение трансгенных растений в физиологии растений сегодня являются одним из наиболее востребованных и информативных методов для исследования внешних воздействий на растительные организмы. После успешной трансформации очень важен этап получения регенерантов из растительных тканей. Весьма важным этапом для этого метода является разработка сред, обеспечивающих максимально продуктивное образование побегов и корней у эксплантов. Традиционно, для этого используют сочетания различных цитокининов и ауксинов, позволяющие добиться необходимых результатов. Таким образом, целью наших исследований стало изучение влияния цитокининов и ауксинов на образование побегов и корней in vitro для растений табака (Nicotiana tabacum L.) и гороха (Pisum sativum L.) сорта Альбумен.

Индукция образования побегов на листовых эксплантах проводилась на среде Мурасиге-Скуга (МС) [1] с содержанием различных цитокининов (6-БАП, кинетин, 2-иП) и ауксинов (2,4-Д, НУК). Цитокинины и ауксины присутствовали в среде в концентрациях 1 и 0,1 мг/л, соответственно. В качестве эксплантов для образования побегов табака использовались квадратные кусочки листа площадью 0,3-0,6 см2, в то время как для гороха использовались целые листья. По предварительно полученным данным образования побегов гороха не наблюдалось на кусочках листьев.

Для 100% эксплантов табака наблюдалось образование 4-12 или 3-7 побегов на средах МС, дополненных 6-БАП/НУК или 2-иП/НУК, соответственно (рис. 1A). На средах с 6-БАП и 2-иП, но с ауксином 2,4-Д побеги отмечались для 88% (по 3-12 побегов) и 46% (по 1-3) эксплантов, соответственно. Первые побеги табака формировались на описанных выше средах на 1-2 неделе. Среды МС, дополненные кинетином, образования побегов корнеобразования, в то время как на средах, дополненных кинетином/НУК, в 33,3% случаев растения давали 1-2 корня на эксплант, а 2-иП/НУК в 50% случаев.

Рис. 1. Образование побегов табака на среде МС, дополненной 1 мг/л 6-БАП и 0,1 мг/л НУК (А) и побегов В отличие от табака экспланты гороха давали по одному побегу в 28,3-36,7% случаев на средах с НУК, содержащих различные цитокинины (рис. 1Б). Статистически достоверных различий между образованием побегов на средах, содержащих используемые цитокинины в сочетании с НУК не выявлено при р I+), и эффекта ускорения спекания вновь не наблюдается. Если же нагрев осуществляется до температур, соответствующих области протекания аномального роста зерен, то следует ожидать существенного увеличения коэффициента зернограничной диффузии и, как следствие, уменьшения температуры спекания.

Таким образом, скорость нагрева определяет кинетику спекания порошковых материалов, позволяя, при оптимальном значении Vн, существенно снизить температуру спекания и получить керамику с плотностью, близкой к теоретической.

Радиофизический факультет, Нижегородский государственный университет Одним из направлений современной нелинейной динамики является изучение колебательных и волновых процессов, связанных с обработкой информации в мозге. Кроме нейронов в этих процессах участвуют астроциты за счет своей химической активности, концентрацией ИТФ.

В докладе представлены результаты компьютерного бифуркационного анализа модели астроцита, предложенной в [1]:

где I – концентрация инизотол-1,4,5-трифосфата (ИТФ), C – внутриклеточная Q2=d2(I+d1)/(I+d3).

Разбиение плоскости параметров (O3k;O5p) на области с различным динамическим поведением приведено на рис. 1. Границами областей являются бифуркационные кривые аттракторов. В областях D1a и D1b система глобально устойчива.

Рис. 1. Двухпараметрическая бифуркационная диаграмма.

При значениях параметров из области D3 в фазовом пространстве системы существует два устойчивых состояния равновесия, одно из которых соответствует стационарному режиму с высоким уровнем концентрации кальция, а другое – стационарному режиму с низким уровнем концентрации кальция. При вариациях параметров в системе наблюдается гистерезис. Другим примером бистабильности динамики системы и гистерезиса служит автоколебательным режимом. В области параметров C1 в системе устанавливаются автоколебания. Основными бифуркационными механизмами установления автоколебаний в данной системе являются бифуркации Андронова-Хопфа, двукратного предельного цикла, петли сепаратрис седла. В зависимости от значений параметров и по мере приближения к бифуркационным границам изменяется форма колебаний.

В частности, при приближении к кривой бифуркации петля сепаратрис седла колебания принимают вид последовательности импульсов с увеличивающимся межимпульсным интервалом (рис. 2а). Обнаружены сложные колебания как регулярные (рис. 2б), так и хаотические (рис. 2в).

Работа выполнена при поддержке грантов ФЦП (проект №11.519.11.1003) и РФФИ (грант №13-02-01223 А).

Список литературы 1. M. De Pittа, M. Goldberg, V. Volman, H. Berry, E. Ben-Jacob. Glutamate regulation of calcium and IP3 oscillating and pulsating dynamics in astrocytes // Journal of Biological Physics.

2009.

Экспериментальное исследование лазерно-плазменного взаимодействия на Радиофизический факультет, Нижегородский государственный университет Заметное распространение лазерных систем, способных создавать релятивистские поля, в последнее время привело к буму в области, находящейся на стыке лазерной физики, физики плазмы и ускорительной физики. Сверхкороткие и сверхмощные оптические импульсы способны возбуждать в плазме интенсивное коллективное движение электронов, сопряженное с гигантскими плазменными полями. В этих полях заряженные частицы могу эффективно ускоряться до энергий, доступных лишь в классических ускорителях, но на масштабах на несколько порядков меньших. Таким образом, при помощи относительно дешевого и компактного источника лазерного излучения петаваттного уровня мощности становится доступными создание источников вторичного (рентгеновского, гамма, пучки релятивистских электронов и ионов) излучения на базе лазерно-плазменного взаимодействия, а также исследования в большом числе сопряженных областей. Компактные источники вторичного излучения чрезвычайно востребованы в науке, медицине, биологии и для целей безопасности.

Лазерная система петаваттного уровня мощности PEARL [1] является мощнейшей в России действующей лазерной системой и может быть адаптирована для проведения следующих экспериментов: ускорение электронов в поле кильватерной плазменной волны [2], генерация бетатронного излучения [3], ускорение ионов при нормальном и наклонном падении на тонкую твердотельную мишень [4], генерация высоких гармоник при взаимодействии с прозрачной [5] и отражении от непрозрачной плазмы [6].

К сентябрю 2013 года сдается в эксплуатацию экспериментальный комплекс, состоящий из вакуумной мишенной камеры, фокусирующей системы, системы позиционирования твердотельных и газовых мишеней, а также целым спектром оборудования для диагностики области взаимодействия и вторичного излучения. Комплекс приспособлен для проведения широкого круга экспериментов как с газовыми, так и твердотельными мишенями, такими как: ускорение электронов в поле кильватерной волны, генерация бетатронного излучения, генерация пучков ускоренных ионов, генерация релятивистких гармоник оптического импульса и т.д. Планируется использование адаптивной системы на базе деформируемого зеркала и системы увеличения контраста импульса по технологии плазменного зеркала.

оптимизации параметров лазерного излучения, такими как энергия, длительность, контраст, качество пространственной фокусировки.

В работе обсуждается план экспериментальных исследований по взаимодействию лазерного излучения петаваттного уровня мощности с прозрачной и закритической плазмой на базе уникального лазерного комплекса PEARL, а также широкий круг вопросов, связанных с методиками, технологиями и подходами проведения подобного рода экспериментов. Затрагиваются вопросы влияния контраста, интенсивности, мощности, качества фокусировки лазерного импульса; методики и требования к сверхточному наведению лазерного импульса на твердотельные мишени; методы и принципы диагностирования области взаимодействия и параметров вторичного излучения.

№ 11.G34.31.0011.

Список литературы 1. Lozhkarev V. et al. LaserPhys. Lett. (2007) 4(6) 421–427.

2. Kneip S. et al Phys. Rev. Lett. (2009) 103 035002.

3. Kiselev S. et al., Phys.Rev. Lett. (2004) 93(13) 135004.

4. Horlein R. et al. New Journal of Physics (2010) 12 043020.

5. Pirozhkov A. et al. Phys.Rev. Lett. (2012) 108 135004.

6. Kando, et al. Phys.Rev. Lett. (2007) 99 135001.

Лабораторное моделирование ветро-волнового взаимодействия при М.И. Вдовин1,2), В.И. Казаков1,2), А.А. Кандауров1),2), Д.А. Сергеев1),2), Ю.И. Троицкая1),2) Радиофизический факультет, Нижегородский государственный университет Исследование и параметризация процессов обмена в пограничных слоях атмосферы и океана является важной задачей с точки зрения развития моделей прогноза для широкого диапазона изменения метеоусловий, включая экстремальные (ураганные ветра). Одним из основных параметров является коэффициент аэродинамического сопротивления, характеризующий процесс обмена импульсом при ветро-волновом взаимодействии.

В рамках настоящей работы на Высокоскоростном термостратифицированном ветроволновом канале ИПФ РАН были проведены эксперименты по моделированию взаимодействия воздушных потоков атмосферы с поверхностным волнением в широком диапазоне изменения эквивалентной скорости ветра. Было получено подтверждение эффекта стабилизации коэффициента аэродинамического сопротивления при превышении порогового значения эквивалентной скорости ветра 25 м/с (скорость на высоте 10 м), что хорошо согласуется с ранее полученными результатами лабораторного эксперимента [1] и данными натурных наблюдений [2]. Сопоставление этого результата с результатами измерений параметров поверхностного волнения, которое было проведено впервые, показало, что одновременно происходит стабилизация уклона энергонесущих волн, при том же пороге. Как проводились параллельно, насыщение уклонов связано с эффектом сильного обрушения волн (с образование брызг), которое начинает регулярно проявляться при превышении порога скорости.

На основе данных эксперимента были сделаны теоретические расчеты в рамках квазилинейной модели турбулентного пограничного слоя. При этом было получено, что результаты расчетов находятся в сильной зависимости от учета коротковолновой части возмущений поверхности. Подобные возмущения интенсивно генерируются при обрушении волн (сильные ветра). При их учете на основе модельных спектров взятых из работы [3], данные теории и эксперимента находятся в хорошем согласии.

Список литературы 1. Donelan M.A., Haus B.K, Reul N., Plant W.J., Stiassnie M., Graber H. C., Brown O. B., Saltzman E. S. On the limiting aerodynamic roughness of the ocean in very strong winds // Geophys. Res. Lett., 2004, v.31, L18306.

2. Powell, M.D., Vickery P.J., Reinhold T.A. Reduced drag coefficient for high wind speeds in tropical cyclones // Nature, 2003, v.422, Р. 279-283.

3. Elfouhaily T.B., Chapron B., Katsaros K., Vandemark D. A unified directional spectrum for long and short wind-driven waves // J. Geophys. Res., 1997, v.107, Р. 15781–15796.

Разработка устройства для определения акустического импеданса биологических тканей с использованием биморфного пьезоэлемента Радиофизический факультет, Нижегородский государственный университет В практической медицине существует целый ряд задач по диагностике вязкоупругих характеристик поверхностного слоя биологической ткани, решение которых известными вдавливания штампа) затруднено. К таким задачам можно отнести определение упругих свойств века, необходимое для коррекции его двигательных функций по открыванию и закрыванию глаза, диагностику ожоговых поражений (пластика, рубцы), а также другие задачи по измерению вязкоупругих характеристик кожи, значимость которых для повышения эффективности используемых методов лечения велика.

В данной работе приводятся результаты разработки устройства для определения акустического импеданса биологической ткани. Предлагаемый прибор может быть использован на практике весьма широко, так как он адаптирован к следующим условиям измерений: малая площадь измерения (диаметр менее 5 мм); небольшая толщина (до 34 мм) слоя; большой диапазон изменения упругих свойств; не горизонтальность к поверхности;

простота стерилизации.

Сущность предлагаемого метода измерения заключается в следующем. Биморфный пьезоэлемент, один конец которого жестко закреплен, а другой свободен, возбуждается на одной из собственных частот колебаний. При контакте свободного конца с биологической тканью граничные условия на нем изменяются, что влечет за собой изменение амплитуды и фазы колебаний, а значит, и электрического импеданса биморфного элемента. Было показано, что в этом случае зависимость акустического импеданса биологической ткани от электрического импеданса пьезоэлемента Z представляет собой дробно-линейную функцию:

= (AZ + B)/(CZ + D), где коэффициенты A, B, C, D зависят от параметров биморфного элемента, а также частоты его возбуждения. Таким образом, измеряя электрический импеданс пьезоэлемента, можно однозначно определять акустический импеданс исследуемого участка ткани.

На основе описанного метода был разработан и изготовлен измеритель, блок-схема и внешний вид которого приведены на рис. 1.

Рис. 1. Блок-схема и внешний вид разработанного измерителя.

Сигнал для анализа снимается с сопротивления R, включенного последовательно с биморфным элементом. Он усиливается и вместе с сигналом, подаваемым на биморфный элемент (опорным) подается на синхронный детектор, имеющий два квадратурных канала.

Сигналы с выходов каналов синхронного детектора поступают на микроконтроллер MSP430F247 фирмы Texas Instruments, в котором производится расчет акустического импеданса кожи. Кроме того, микроконтроллер в описываемом устройстве используется для вывода информации на жидкокристаллический дисплей MT-08S2A-3V0, задания частоты и амплитуды опорного сигнала, а также для контроля напряжения питания прибора.

При вдавливании датчика в ткань и достижении глубины 0,5 1 мм (порог вдавливания задается априорно) происходит автоматическая регистрация сигналов, расчет реальной и мнимой частей акустического импеданса и их вывод на двух строках дисплея.

Информация на дисплее сохраняется вплоть до проведения нового измерения.

Использование в устройстве программируемого синтезатора частоты дает возможность оперативно менять частоту опорного сигнала, что обеспечивает быструю настройку измерителя под любой пьезоэлемент. Электронный блок прост в изготовлении и позволяет организовать тиражирование прибора малой партией для апробации в различных клинических учреждениях. В настоящее время рассматривается возможность использования устройства для диагностики сохнущих капель биологических жидкостей и технических растворов, в частности для определения изменения их веса (менее 3-5 мг) с течением времени, что может оказаться информативным.

Работа выполнена при поддержке гранта Правительства РФ № 11.G34.31.0066.

Транспорт электронов в терагерцовом диоде Шоттки Е.В. Волкова, Е.А. Тарасова, Д.С. Демидова, Е.С. Оболенская, А.Ю. Чурин, С.В. Оболенский, А.В. Клюев, Е.И. Шмелев, А.В. Якимов Радиофизический факультет, Нижегородский государственный университет В приборах наноэлектроники времена пролета носителей заряда через активную область прибора составляют величину ~ 10-13 с, что меньше характерного времени формирования кластера радиационных дефектов, возникающего при облучении нейтронами с энергией ~ 1 МэВ [1, 2]. Указанные времена составляют доли периодов колебаний терагерцовых сигналов, которые детектируются нанодиодами и/или усиливаются нанотранзисторами. Размеры активных областей указанных элементов составляют несколько десятков нанометров, что сравнимо с размерами кластеров радиационных дефектов.

Особенности функционирования таких приборов в условиях нейтронного облучения экспериментально изучены недостаточно, что не позволяет точно предсказывать их радиационную стойкость.

На первом этапе работ была изготовлена специальная тестовая ячейка, позволяющая проводить измерения параметров полупроводниковых слоев GaAs диодов Шоттки с высокой точностью. Толщина слоев составляла в диодах разных типов от 30 до 100 нм.

Тестовая ячейка состояла из семи согласованных по размерам круговых и кольцевых диодов Шоттки повышенной емкости (20…100 пФ). Сопоставление результатов вольтамперных и вольт-фарадных измерений, проведенных на различных тестовых диодах, позволило определить значения паразитных элементов и уточнить профили легирования и подвижности с разрешением по глубине ~ 1 нм.

На втором этапе работ проводились измерения вольт-амперных и вольт-фарадных характеристик и 1/f шумов диодов Шоттки с характерным временем переключения менее 10-13 с. Указанное время определялось как произведение барьерной емкости (7…10 фФ) на сопротивление базы диода (5…10 Ом). Объективность данной оценки подтверждена информацией о штатном функционировании диодов в детекторах КВЧ диапазона частот (150 ГГц). Размер барьерного контакта диода составлял 0.5 х 2 мкм, что по порядку величины соответствовало размеру одного кластера радиационных дефектов. Также исследовались полевые транзисторы с затвором Шоттки размером 0.25 х 25 мкм.

Транзисторы включались как в диодном режиме, когда контакты истока и стока объединялись и измерялись вольт-амперные и вольт-фарадные характеристики барьерного контакта, так и в транзисторном режиме работы. В последнем случае регистрировалась стокзатворная характеристика транзистора. Это позволило отделить эффекты транспорта электронов через границу металл-полупроводник от эффектов движения электронов в полупроводниковом материале под затвором. Для анализа привлекались полученные авторами ранее экспериментальные результаты измерений поведения СВЧ и КВЧ генераторов на транзисторе Шоттки в момент облучения.

На третьем этапе работ проводились расчеты динамической картины развития и стабилизации каскада смещения атомов с учетом его способности к рассеянию потока квазибаллистических электронов, формирующегося в современных приборах терагерцовой наноэлектроники. Процедура проведения расчетов была итерационной с промежуточной уточняющей калибровкой на основе экспериментальных данных, полученных на первом и втором этапах работы. Для моделирования использовалась модель транспорта электронов на основе метода Монте-Карло, предложенная в [3].

Показано, что радиационная стойкость нанодиодов Шоттки имеет близкую к предельной величину, что позволяет рекомендовать их для использования в специальных электронных устройствах. Проведение дальнейших экспериментов позволит существенно продвинуться в понимании фемтосекундной физики процессов транспорта электронов в терагерцовых диодах в момент формирования кластера радиационных дефектов.

Работа поддержана грантом Минобрнауки. Авторы благодарят Ю.И. Чеченина и А.Г. Фефелова за предоставленные образцы тестовых ячеек, диодов и транзисторов.

Список литературы 1. В. С. Вавилов, Н. А. Ухин. Радиационные эффекты в полупроводниках и полупроводниковых приборах. - М.: Атомиздат, 1969. - c. 311.

2. В.Л. Винецкий, Г.А. Холодарь. Радиационная физика полупроводников. - Киев:

Наукова думка, 1979. с. 332.

3. S.V. Obolensky, A.V. Murel, N.V. Vostokov and V.I. Shashkin, Member IEEE.

Simulation of the Electron Transport in a Mott Diode by the Monte Carlo Method // IEEE Transaction on Electron Devices, v. 58, N 8, 2011, pp. 2507-2510.

Анализ влияния нейтронного облучения на характеристики гетероструктурных СВЧ полевых транзисторов Е.В. Волкова, Е.С. Оболенская, С.В. Оболенский, Е.А. Тарасова Радиофизический факультет, Нижегородский государственный университет энергетического барьера буферного слоя или формирования канала с двумерным электронным газом в HEMT) и сокращение размеров активных областей приборов классической архитектуры вплоть до длин, на которых проявляются эффекты квазибаллистического движения электронов [1].

При воздействии быстрых нейтронов в полупроводниковых структурах образуются точечные дефекты и их скопления – кластеры [2]. При этом морфологические характеристики последних существенно зависят от параметров конкретной полупроводниковой структуры, в которой происходит дефектообразование [3].

Исследование радиационной деградации классических структур с размерами активных областей ~ 30 нм и гетеробуферными слоями на основе тройного соединения GaAlAs и на основе сверхрешетки GaAs/AlAs проводилось в [4]. В данной работе предлагается провести сравнительный анализ изменений характеристик СВЧ полевых транзисторов при дефектообразующем воздействии, расширив спектр рассматриваемых структур на приборы с двумерным электронным газом, сформированные на основе гетероструктуры InGaAs/InAlAs.

Теоретический анализ включал в себя моделирование процессов дефектообразования в структурах транзисторов методом Монте-Карло на основе модели [5]. Исследовалось распределение дефектов в активных областях приборов без учета влияния механических напряжений, возникающих на границах гетероструктур. Эффекты воздействия последних анализировались на основе сравнения теоретических и экспериментальных результатов.

Экспериментально исследовались характеристики СВЧ транзисторов до и после воздействия быстрых нейтронов спектра деления (с энергиями 0,1…2 МэВ). Результаты измерений показали, что, в среднем, скорость радиационной деградации характеристик HEMT ниже таковой для СВЧ полевых транзисторов с гетероструктурными буферными слоями, хотя отдельные приборы с буферным слоем на основе сверхрешетки показали радиационную стойкость выше ряда HEMT.

1. Пожела Ю. Физика быстродействующих транзисторов. Вильнюс: Мокслас, 1989.

264 с.

2. Аствацатурьян Е.Р., Громов Д.В., Ломако В.М. Радиационные эффекты в приборах и интегральных схемах на арсениде галлия. Минск: Университетское, 1992. 219 с.

3. Киселева Е.В., Оболенский С.В. Микроскопия кластеров радиационных дефектов в квазибаллистических полевых транзисторах // ВАНТ. Серия: физика радиационного воздействия на радиоэлектронную аппаратуру. 2004. вып. 1-2. С. 46-48.

4. Киселева Е.В., Оболенский С.В., Китаев М.А. и др. Радиационная стойкость квазибаллистических полевых транзисторов Шоттки с различными конструкциями буферного слоя при воздействии нейтронного облучения разных спектров // Письма в ЖТФ.

2005. т. 31. № 20. С. 58 – 64.

5. Biersak J.P. Computer simulation of sputtering // Nuclear instruments and methods in physic research. 1987. № 1. P. 21-36.

Первопринципные расчеты оптических свойств кристаллов лангасита Физический факультет, Нижегородский государственный университет В данной работе рассматриваются кристаллы лангасита (ЛГС) La3Ga5SiO14 [1].

Пространственная группа симметрии данных кристаллов P321; в элементарной ячейке одна формульная единица. Интересной особенностью структуры кристаллов ЛГС является наличие смешанной позиции с координатами (0.3333 0.6667 0.4670) для атомов Ga и Si (они занимают ее с равной вероятностью).

Перед нами ставилась задача проведения первопринципных расчетов линейных оптических свойств кристаллов ЛГС с помощью программного комплекса WIEN2k [2] и исследования влияния расположения атомов Si и Ga в смешанных позициях на получаемые результаты. Для этого проводилось моделирование разупорядоченной структуры кристалла ЛГС по следующему алгоритму. Моделировалась ячейка размером 2x2x2 элементарных ячеек, в ней расставлялись атомы Ga и Si с равной вероятностью по 16 позициям различными способами, для каждого полученного структурного файла рассчитывалась степень инвариантности полученной структуры (псевдосимметрия [3]) по отношению к операциям симметрии, входящим в пространственную группу Р321 (2x, 2y, 2u, 31z) с помощью программы PseudoSymmetry [4].

Всего описанным способом было построено 10 различных структур ЛГС. Для каждой структуры проведены расчеты псевдосимметрии [4] и линейных оптических свойств в программном комплексе WIEN2k [2]. Установлено, что показатели преломления для различных структур существенно отличаются (в видимом диапазоне спектра разброс для обыкновенного показателя преломления nо = 0.07, для необыкновенного – nе = 0.04).

Следовательно, для оценки погрешностей расчётных свойств кристаллов необходимо рассматривать различные микромодели структур, не только для лангаситов, но и вообще для кристаллов, имеющих атомные позиции с дробными заселённостями.

Показано, что расчетные зависимости коэффициента поглощения от длины волны для всех смоделированных структур кристаллов ЛГС имеют особенности, характерные для кристаллов семейства кальций-галлогерманата (к данному семейству относятся кристаллы ЛГС).

Список литературы 1. Kaminskii A.A., Mill B.V., Khodzhabagyan G.G., Konstantinova A.F., Okorochkov A.I., Silvestrova I.M. // Phys. Stat. Sol. A. 1983. V. 80. P. 387-398.

2. Blaha P., Schwarz K., Madsen G., Kvasnicka D., Luitz J., WIEN2k, An Augmented Plane Wave + Local Orbitals Program for Calculating Crystal Properties (Karlheinz Schwarz, Techn.

Universitt Wien, Austria). 2001. ISBN 3-9501031-1-2.

3. Чупрунов Е.В. // Кристаллография. 2007. Т. 52. № 1. С. 5.

4. Сомов Н.В., Чупрунов Е.В. Программа PSEUDOSYMMETRY для исследования псевдосимметрии атомных структур кристаллов // Кристаллография. 2013. Т.58. №5. С.742Оптоэлектрическое взаимодействие нейроноподобных элементов Радиофизический факультет, Нижегородский государственный университет Исследование механизмов функционирования нейронных систем мозга и построение на их основе адекватных моделей – «искусственных нейронов», способных воспроизводить основные функции живых клеток является в настоящее время одним из наиболее интересных направлений междисциплинарных исследований, находящихся на стыке современной нейробиологии, физики, математики и техники. В радиофизической постановке поведение нейронов и нейронных ансамблей можно имитировать с помощью электронных радиотехнических моделей. С помощью таких моделей изучаются эффекты синхронизации, генерации регулярных и хаотических колебаний.

В этой работе мы предлагаем физическую модель, имитирующую химическую (однонаправленную) и электрическую (двунаправленную) связь между искусственными нейронами. Каждый отдельный нейрон был представлен в виде генератора импульсных сигналов по модели ФитцХью-Нагумо. Считается, что последовательность импульсных сигналов, проходящих по нейронной сети, определяет ключевую роль в кодировании информации в мозге.

Модель ФитцХью-Нагумо демонстрирует качественное совпадение основных характеристик нейронов: наличие порога возбуждения, наличие возбудимого и автоколебательного режимов с возможностью переключения между ними.

Была разработана и реализована схема оптоэлектрической связи между двумя электрическими нейронами ФитцХью-Нагумо. Выходной сигнал с передающего генератора поступал на светодиод, затем на фотодетектор принимающего генератора ФитцХью-Нагумо, обеспечивая однонаправленную связь двух нейроноподобных элементов. Также была реализована взаимная связь двух генераторов путем создания двух оптоэлектрических каналов. Были рассмотрены различные режимы колебаний в зависимости от силы связи генераторов. При наблюдении однонаправленной связи были получены эффекты модуляции сигнала. Было продемонстрировано частичное подавление импульсов и полное – возникновение подпороговых колебаний. В ходе проведения исследований был разработан оптоволоконный метод связи, был определен контрольный параметр, отвечающий за силу синаптической связи. Было проведено математическое моделирование системы взаимодействия нейроноподобных генераторов. Математическая модель была формализована в виде системы обыкновенных дифференциальных уравнений и решена методом Рунге-Кутта (использовался также и метод Эйлера). Полученные результаты моделирования показывают хорошее соответствие с данными физических экспериментов.

Предлагаемая модель имеет принципиальное значение для создания основ для разработки гибридных систем, состоящих из электронных нейроноподобных устройств и живых нейробиологических объектов.

Работа поддержана Федеральной целевой программой «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технического комплекса России» на 2007годы (контракт №11.519.11.1003).

Эксперименты по проверке сверхбыстрого обратного эффекта Фарадея Радиофизический факультет, Нижегородский государственный университет оптомагнетизма – изменения намагниченности сред на субпикосекундных временах под действием ультракоротких лазерных импульсов. Эти явления, представляющие собой новый класс процессов в физике магнетизма, перспективны для практического применения в задачах сверхбыстрой записи и обработки информации. Одно из наиболее важных оптомагнитных явлений – обратный эффект Фарадея (ОЭФ), который является магнитным аналогом эффекта оптического выпрямления и состоит в наведении статической намагниченности циркулярно-поляризованным светом в магнитооптической среде.

Предсказанный около 50 лет назад [3] и экспериментально подтвержденный для длинных (наносекундных) лазерных импульсов несколькими годами позже [4] ОЭФ лишь совсем недавно был экспериментально продемонстрирован на субпикосекундных временах [5].

Физический механизм сверхбыстрого ОЭФ до сих пор является предметом дискуссий [6-7].

В недавней работе [8] был предложен метод экспериментального исследования сверхбыстрого ОЭФ, основанный на регистрации терагерцового черенковского излучения от движущейся области намагниченности, создаваемой фемтосекундным лазерным импульсом в структуре, состоящей из магнитооптического кристалла Tb3Ga5O12 и кремниевой призмы (для вывода излучения в свободное пространство), рис. 1. В настоящей работе приводятся результаты наших экспериментов с указанной структурой и обсуждаются сложности в их интерпретации.

В экспериментах в качестве накачки использовалась лазерная система FemtoPower лаборатории экстремальных световых полей (ELSA Lab, elsalab.unn.ru), созданной под руководством Жерара Муру в рамках программы мегагрантов. Длительность импульса накачки составляла 5 фс, энергия импульса 50 мкДж, центральная длина волны 800 нм, частота повторения 3 кГц. Для регистрации терагерцового излучения использовался метод электрооптического стробирования.

Рис. 1. Схема генерации черенковского излучения в структуре Tb3Ga5O12 / кремниевая призма.

В ходе экспериментов было обнаружено импульсное терагерцовое излучение из структуры (рис. 2), форма и спектр которого соответствуют предсказаниям работы [8].

Наблюдался также еще один терагерцовый импульс, приходящий в детектор с некоторым запаздыванием после первого. Предположительно этот импульс интерпретируется как импульс переходного излучения, возникающий при входе импульса накачки в кристалл Tb3Ga5O12.

Рис. 2. Осциллограмма терагерцового излучения, генерируемого в Tb3Ga5O12 циркулярно поляризованными Список литературы 1. Kirilyuk A., Kimel A.E., Rasing T. // Rev. Mod. Phys. 2010 V.82 P. 2731.

2. Kimel A. E., Kirilyuk A., Rasing T. // Laser & Photon. Rev. 2007 V.1 P. 275.

3. Pershan P. S. // Phys. Rev. 1963 V.130 P. 919.

4. Ziel van der J. P et al. //Phys. Rev. Lett. 1965 V.15 P. 190.

5. Kimel A. V. et al. //Nature (London) 2005 V.435 P. 655.

6. Reid A. H. M. et al. //Phys. Rev. B 2010 V.81 P. 104404.

7. Popova D. et al. //Phys. Rev. B 2011 V.84 P. 214421.

8. Bakunov M.I. et al.// Phys. Rev. B 2012 V.86 P. 134405.

Оптические и структурные свойства нанокристаллов Si и Ge в диэлектрических матрицах, сформированных путем отжига многослойных Д.А. Грачев, Н.В. Малехонова, Д.А. Павлов, А.В. Ершов Физический факультет, Нижегородский государственный университет полупроводниковыми приборами на одном чипе. Современная технология базируется на кремнии, однако существует фундаментальный ограничение, запрещающее создание светодиодов на объемном кремнии. Использование упорядоченных массивов нанокристаллов кремния [1] в матрицах диэлектрика позволяет решить данную проблему, позволяя изготавливать новые устройства, такие как долговечная зарядовая память и светодиоды, интегрированные в стандартный планарный КМОП процесс. Германиевая технология в значительной мере близка к кремниевой, что позволяет формировать подобные структуры, используя тот же метод.

Исследуемые образцы многослойных нанопериодических структур Ge/Диэлектрик (SiO2, Al2O3, HfO2) и SiOx1/Диэлектрик (SiO2, Al2O3, ZrO2) толщиной 5-10 нм 10-30 периодов были получены методом вакуумного испарения из раздельных источников. Отжиг при температуре 500-1100°С в течение 0.5-2 часов в атмосфере сухого азота приводил к формированию нанокристаллов кремния и германия. Данные о структуре на атомарном уровне были получены путем анализа изображений электронной микроскопии высокого разрешения. Спектры фотолюминесценции измерялись при комнатной температуре в диапазоне длин волн 350-900 нм при накачке импульсном лазером на длинах волн 337 нм и 448 нм.

Показано, что высокие температуры отжига приводят к синтезу наночастиц кристаллического кремния, упорядоченных в направлении роста исходной структуры.

Диаметры нанокристаллов приблизительно равны первоначальной толщине слоев SiOx, а их поверхностная концентрация более 1012 см-2. Вариация толщины слоев субоксида кремния позволяла контролировать средний размер нанокристалла в массиве, что подтверждает наблюдаемый квантово-размерный эффект на спектрах фотолюминесценции. Диапазон излучения кремниевых нанокристаллов ~ 650-850 нм.

В соответствии с изображениями электронной микроскопии, структуры до отжига Ge/Диэлектрик состоят из сплошных слоев, в которых было отмечено наличие нанокристаллов в аморфной фазе германия. Отжиг приводит к формированию микрокристаллических слоев германия с резкими границами. Полоса фотолюминесценции имеет сложный профиль в диапазоне длин волн 400-650 нм и зависит от периодичности и состава структур.

В докладе сделан акцент на особенности метода направленной температурной модификации в случае использования различных диэлектрических матриц для структур, получаемых методом испарения из раздельных источников. Подчеркивается перспективность применения германиевых нанокристаллов, обусловленная высокой технологической совместимостью германия с диэлектриками с высоким показателем преломления.

Список литературы 1. Khriachtchev L., Silicon nanophotonics. Basic Principles, Present Status and Perspectives. Singapore: World Scientific Publishing Co. Pte. Ltd., 2009. 470 p.

Мезоскопические флуктуации вероятностей перехода между уровнями Физический факультет, Нижегородский государственный университет Как известно, полная проводимость (кондактанс) неупорядоченных систем при низких температурах испытывает мезоскопические флуктуации, обусловленные интерференцией электронных волн [1]. Большой размер траекторий электронов делает интерференционные поправки к кондактансу весьма чувствительными к конфигурации примесей: в низкоразмерной системе (пленке или проволоке) достаточно сдвинуть одну примесь на расстояние порядка длины волны электрона, чтобы заметно изменять интерференцию электронных волн. Особенно чувствителен к конфигурациям примесей кондактанс одномерной проволоки, поскольку в этом случае возвратные траектории электронов всегда проходят одни и те же рассеиватели [2].

В данной работе исследуются мезоскопические флуктуации вероятности перехода между основным и возбужденным уровнями сверхпроводящего джозефсоновского кубита [3], возбуждаемого суперпозицией двух радиоимпульсов. Гамильтониан системы имеет вид:

Предполагается, что первоначально кубит находился в основном состоянии, а переходы на (t ) = 0 + A(cos t + cos(2 t + ) ), где 0 и A – постоянная и переменная составляющие амплитуды, и - относительные амплитуды и фазы сигналов. В адиабатическом приближении кубит может находиться в состояниях ± (t ) с энергиями E± (t ) = ± (t ) 2 + 2.

При сближении уровней E± (t ) между ними происходят переходы Ландау-Зинера [3], темп которых контролируется видом управляющего поля. Проводя аналогию с теорией мезоскопических систем, можно заметить, что количество квазипересечений адиабатических соответствующего числа рассеивателей на длине проволоки. При фиксированной длительности импульса, относительная фаза ответственна за изменение конфигурации рассеивателей, а полное время действия сигнала ведет себя аналогично длине проволоки.

Рис. 1. Зависимость дисперсии при изменении относительной разности фаз для различных значений Вероятности переходов между уровнями кубита с учетом фазового шума находятся путем решения уравнения для матрицы плотности [4]. В работе рассчитаны вероятности переходов и дисперсии в зависимости от относительной разности фаз. Показано, что относительной фазы =. При увеличении скорости фазовой релаксации наблюдается подавление флуктуаций по аналогии с мезоскопическими системами.

Исследовано также поведение флуктуаций при различных длительностях сигнала (см. рис. 1). Видно, что сильные мезоскопические флуктуации наблюдаются на временах меньших времени сбоя фаз ( < 1/Г), тогда как на больших временах ( > 1/Г) дисперсия полностью подавлена. Данный факт позволяет ещё раз подчеркнуть аналогию с мезоскопикой, состоящую в том, что зависимость флуктуаций населенности кубита от длительности импульса подобна поведению флуктуаций проводимости проволоки от её длины.

Список литературы 1. Datta S., Electronic Transport in Mesoscopic Systems. Cambridge University Press, 1995.

2. Сатанин A.M. Чувствительность сопротивления одномерного проводника к изменениям реализаций случайного потенциала // ЖЭТФ. 1993. Т. 104. С. 3759-3768.

3. Shevchenko S.N., Ashhab S., and Nori F. Landau-Zener-Stuckelberg interferometry // Phys. Rep. 2010. V. 492. P. 1.

4. Scully M.O. and Zubairy M.S., Quantum Optics. Cambridge University Press, Cambridge, 1997.

Исследование условий низкотемпературного роста гетероструктур Si/SiGe:Er/Si/Si(100) методом молекулярно-пучковой эпитаксии кремния в среде германа и их влияния на фотолюминесцентные свойства Научно-исследовательский физико-технический институт Нижегородского государственного университета им. Н.И. Лобачевского, Н. Новгород, Россия Гетероструктуры (ГС) Si1-XGeX:Er/Si, содержащие слои твердого раствора кремнийгермания, легированные атомами эрбия, способны эффективно излучать в ИК диапазоне (~1,54 мкм), что открывает большие перспективы их использования в оптоэлектронных приборах [1]. Например, можно решить одну из актуальных задач современной оптоэлектроники создание на базе традиционной кремниевой технологии светоизлучающих приборов и схем.

В данной работе проведено исследование роста гетероструктур Si/Si1-XGeX:Er/Si методом молекулярно-пучковой эпитаксии (МПЭ) кремния в среде германа на подложках Si(100), их структурных и фотолюминесцентных свойств. В установке МПЭ Si поток атомов кремния поступает на подложку из сублимационного источника кремния, а второй компонент твердого раствора (германий) – за счет разложения его гидрида (газа моногерман, GeH4) на источнике Si.

Содержание германия в слоях Si1-XGeX:Er варьировалось от 22 до 30%, а их толщина составляла 0,6 – 2,0 мкм. Рост структур проводился в низкотемпературном интервале от до 480°С.

По данным атомно-силовой микроскопии поверхность образцов довольно гладкая (RMS единицы нанометров) во всем интервале температур. Просвечивающая электронная микроскопия и конфокальная рамановская микроскопия позволили установить зависимость плотности дислокаций в слое SiGe:Er от температуры: с повышением температуры плотность дислокаций растет.

Исследования фотолюминесцентных свойств ГС, выращенных на подложках Si(100), показали взаимосвязь интенсивности сигнала фотолюминесценции (ФЛ) от структурного совершенства слоев, и, следовательно, от температуры подложки в процессе роста.

Максимальная интенсивность сигнала ФЛ наблюдалась в слоях Si1-XGeX:Er, выращенных при TS = 350°C. С увеличением температуры роста происходило уширение пика ФЛ.

В работе обсуждаются механизмы роста гетероструктур.

Работа выполнена при поддержке проекта ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 – 2013 годы (грант №14.В37.21.0337) и при поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации, соглашение 8735.

Авторы выражают благодарность М.В. Степиховой (ИФМ РАН) за измерение спектров ФЛ и А.И. Боброву (ННГУ) за исследования на просвечивающем электронном микроскопе.

Список литературы 1. Stepikhova M.V., Krasil’nikova L.V., Krasil’nik Z.F., Shengurov V.G., Chalkov V.Yu., Zhigunov D.M., Shalygina O.A., Timoshenko V.Yu. Observation of the population inversion of erbium ion states in Si/Si1-XGeX:Er/Si structures under optical excitation // Optical Materials. 2006.

Vol.28. p.893-86.

М.В. Дорохин, Ю.А. Данилов, Е.И. Малышева, А.В. Здоровейщев Научно-исследовательский физико-технический институт, Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского, Н. Новгород, Россия В настоящее время значительное внимание уделяется созданию и изучению гетероструктур на основе ферромагнитных полупроводников (ФМП), являющихся базовыми элементами спинтроники [1]. Исследования имеют ряд перспективных приложений, таких как создание элементов энергонезависимой памяти, транзисторов малой мощности, высокоэффективных светоизлучающих диодов и др. Основным видом ФМП являются эпитаксиальные слои на основе полупроводников III-V, легированных атомами Mn [2].

Материалы (III,Mn)V с высоким содержанием Mn обладают ферромагнитными свойствами (в основном при низкой температуре). Особенностью примеси Mn в полупроводниках III-V является низкий предел растворимости (ниже 0,1 ат.%). В то же время, основные применения приборов требуют создания слоёв с высоким содержанием Mn (~5 ат.%) для обеспечения ферромагнитных свойств [1]. Выращивание таких материалов известными методами при повышенной температуре приводит к образованию кластеров III-Mn (Mn-V), а также диффузии Mn в другие области полупроводникового прибора. Указанные явления приводят к деградации приборов на (III,Mn)V и ухудшают свойства самого ферромагнитного полупроводника. Для создания сравнительно однородных материалов, применимых в спинтронике, необходимо существенное снижение температуры их формирования [2].

Указанные условия могут быть выполнены с применением технологии молекулярно-лучевой эпитаксии, позволяющей выращивание эпитаксиальных слоёв при температуре 250°C.

Другой распространённый метод выращивания полупроводниковых структур – газофазная эпитаксия из металлорганических соединений (ГФЭ МОС) – плохо применима для формирования слоёв (III,Mn)V из-за высокой температуры разложения МОС. Решением проблемы является сочетание методов ГФЭ МОС и лазерного распыления мишеней. Данная производительность) и лазерного распыления (широкий диапазон ростовых температур).

В лаборатории эпитаксиальной технологии НИФТИ ННГУ разработан метод создания приборов спинтроники, применяемый, в частности, для формирования спиновых светоизлучающих диодов, содержащих ферромагнитные слои [3]. Такие приборы испускают циркулярно-поляризованный свет, знак и степень которого могут контролироваться внешним магнитным полем. Комбинированный метод ГФЭ МОС и лазерного распыления заключается в последовательном выращивании всех слоёв структуры в одном реакторе. На первой стадии диодная часть структуры, состоящая из буферного слоя GaAs, квантовой ямы InхGa1-хAs (КЯ) (х = 0.1 - 0.2; ширина dQW = 10 нм) и тонкого спейсерного слоя GaAs (ds = 2 нм), последовательно выращивается при температуре 650оС на подложке GaAs (001) ферромагнитного полупроводника (Ga,Mn)As выращиваются путём распыления Mn и GaAs мишеней при температуре (250-400)С. В работе исследованы два типа структур: структуры A содержат однородно-легированные (Ga,Mn)As слои толщиной 40 нм, использующиеся в качестве p+-слоя p-i-n диодов. Структуры B представляют собой светоизлучающие диоды, содержащие GaAs слои, дельта-легированные атомами Mn. Данные слои увеличивают эффективность инжекции дырок в модифицированных диодах Шоттки [3].

Основной характеристикой описанных выше диодов является магнитополевая зависимость степени циркулярной поляризации электролюминесценции. Указанная характеристика была измерена для всех исследованных диодов в диапазоне температур 10 – 90 K. Магнитное поле в диапазоне B = 0 – 0.3 Tл было приложено перпендикулярно поверхности структур. Степень циркулярной поляризации Pc(B) определялась как:

где I+(I-) интенсивности + (–) – циркулярно-поляризованных компонент ЭЛ, измеренные в максимуме спектральной линии, соответствующей излучательным переходам в КЯ.

электролюминесцентное излучение становится частично циркулярно-поляризованным.

Значение степени поляризации определяется параметрами ферромагнитного слоя, а диапазон рабочих температур – температурой Кюри. Обсуждаются механизмы циркулярной поляризации и спиновой поляризации носителей в структурах.

Работа выполнена при поддержке грантов РФФИ (13-07-00982), Президента РФ (МКМинобрнауки (ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» 14.В37.21.0346).

Список литературы 1. Zutic I., Fabian J., Das Sarma S. Spintronics: Fundamentals and applications // Rev. Mod.

Phys. 2004. V.76. P. 323.

2. Moriya R., Munekata H. Relation among concentrations of incorporated Mn atoms, ionized Mn acceptors, and holes in p-(Ga,Mn)As epilayers // J. Appl. Phys. 2003. V.93. P. 4603.

3. Звонков Б.Н., Вихрова О.В., Данилов Ю.А. Применение лазерного распыления для получения полупроводниковых структур // Опт. Журнал. 2008. Т.75, №6. С. 56.

Разработка голографических методов количественной фазовой микроскопии для исследования нейронных культур Радиофизический факультет, Нижегородский государственный университет Современное исследование нейронных клеточных культур и переживающих срезов гиппокампа мозга невозможно представить без использования оптических микроскопов с хорошим разрешением. В настоящее время микроскопия все больше превращается из наблюдательной в измерительную. Однако наблюдаемое в окуляры микроскопа, выведенное на экран монитора или захваченное в цифровом виде изображение может в значительной мере отличаться от реального исследуемого биологического объекта. Даже если для исследования таких живых объектов будет использоваться метод сканирующей конфокальной микроскопии, в случае таких прозрачных объектов с малыми различиями коэффициента поглощения изображения получаются малоконтрастными и содержащими информацию лишь о поперечном строении выбранного сечения. Для получения объемной структуры объекта необходимо получить его трехмерное представление.

Целью данной работы являлась разработка методов, схем и установок для измерений амплитуды и фазы объектной волны с целью получения информации, недоступной при использовании стандартного оборудования, имеющегося во многих научных лабораториях.

Для возможности многоканальных измерений произведена доработка конфокального микроскопа, расширившая его методы работы возможностью получения информации как об интенсивности, так и фазовой информации путем применения осевой и внеосевой голографии. Тем самым получена возможность 3D-имиджинга биологических объектов и измерения оптической толщины объектов с нанометровой точностью. А также разработана схема по совмещению преимуществ аналоговой и цифровой голографии.

Первый разработанный мною подход по применению осевой голографии на микроскопе Carl Zeiss LSM-510 реализует преимущества как оптических, так и цифровых методов. Визуализация фазовой структуры состоит из трех этапов, на первом из которых записывается распределение интенсивности зондирующего излучения в плоскости, оптически сопряженной с объектной, содержащее модуль амплитуды объектной волны. На полупрозрачную пластинку, помещенную непосредственно перед объективом по направлению распространения светового пучка от лазера, и регистрируем картину интерференции опорного и предметного лучей. На третьем этапе вычитаем эти изображения, используя стандартные процедуры обработки изображения, получая таким образом возможность производить визуализацию фазы, то есть фиксировать такие физические характеристики объекта, которые модулируют фазу волны.

В реализованной оптической установке по записи внеосевых голограмм показана преимущества цифровой и аналоговой голографии. Реализовано преимущество цифровой информационной емкости голограммы при применении аналоговой голографии, за счет большой разрешающей способности регистрирующей среды.

Предложенная внеосевая схема записи голограммы на микроскопе Carl Zeiss LSM 510 позволяет исследовать динамику изменения клеточных культур. В данной реализации опорный пучок, когерентный с предметным, заводится под рассчитанным оптимальным углом уже извне. Изображение объекта восстанавливается численно алгоритмом двойного Фурье-преобразования с фильтрацией в частотной плоскости. При анализе длительной временной серии можно наблюдать небольшие миграции клеток в культуре в различных направлениях. Это наблюдение соответствует и подтверждается литературными данными.

Результатом работы является использование возможностей конфокального микроскопа в широкопольном режиме, а также реализация самостоятельной оптической схемы, совмещающей преимущества цифровой и аналоговой голографии. Данные методики были использованы для получения информации о фазовом фронте зондирующего излучения при исследовании биологических объектов на уровне живых клеточных культур нейронных тканей, а также переживающих срезов гиппокампа мозга.

Лазеры на Cr2+:ZnS и Cr2+:ZnSe с импульсно-периодической накачкой А.С. Егоров1), К.Ю. Павленко1), А.П. Савикин1), О.Н. Еремейкин1,2) Радиофизический факультет, Нижегородский государственный университет Институт химии высокочистых веществ РАН, Н. Новгород, Россия В настоящее время несколькими научными группами ведутся разработки компактных эффективных лазеров на кристаллах халькогенидов, легированных ионами Cr2+ и излучающих в ближнем ИК диапазоне спектра. Наиболее перспективными являются лазеры на кристаллах Cr2+:ZnSe и Cr2+:ZnS, перестраиваемые в области длин волн 2 3 мкм, которые находят применение в медицине, спектроскопии, промышленности и других областях. В полосу перестройки этих лазеров попадают интенсивные линии поглощения таких молекул, как H2O, NH3, CH4, HF, CO, CO2 [1-2]. В работе приводятся основные результаты оптимизации параметров лазерных систем на средах Cr2+:ZnSe и Cr2+:ZnS и их основные генерационные характеристики.

Оптическая схема Cr2+:ZnS-лазера представлена на рис. 1. Tm:YLF-лазер с диодной накачкой генерировал линейно поляризованное излучение на длине волны 1,908 мкм с частотой следования 3 кГц и длительностью импульсов 100 нс. Излучение Tm:YLF-лазера фокусировалось внутрь активного элемента Cr2+:ZnS 4 системой линз 2 в пятно диаметром ~ 600 мкм. Резонатор формировался дихроичным зеркало 3 и выходным зеркалом 5 и имел длину 11 мм. Активная среда Cr2+:ZnS закреплялась в медную оправу через индиевую фольгу без дополнительного охлаждения.

Был получен высокий полный КПД преобразования мощности накачки в мощность генерации 33% (рис. 2), а дифференциальный КПД по поглощенной мощности равнялся 73%.

Порог генерации в лазере был 15 мВт, а максимальная средняя мощность равнялась ~ 1 Вт.

Максимум спектра свободной генерации был в области 2280 нм.

Рис. 2. Зависимость выходной мощности генерации от падающей мощности накачки.

Аналогичные результаты по лазерной генерации в такой же конфигурации резонатора были получены на кристалле Cr:ZnSe. В этом случае дифференциальный КПД по поглощенной мощности равнялся 75%. В работе исследовалась зависимость эффективности генерации от диаметра пучка накачки (рис. 3). При уменьшении диаметра пятна накачки с 2800 мкм до 600 мкм мощность лазера возрастал в 14 раз. Также исследовалась зависимость КПД генерации от температуры кристалла. При уменьшении температуры с 24°С до 12°С выигрыш в мощности составил 4% (0.3% на 1°С).

Рис. 3. Зависимость эффективности лазерной генерации от диаметра пучка накачки.

Авторы выражают благодарность сотрудникам ИХВВ РАН Е.М. Гаврищуку и С.С. Балабанову за предоставленные образцы Cr2+:ZnS и Cr2+:ZnSe.

Список литературы 1.Godard A. Infrared (2-12 µm) solid-state laser sources: a review // C.R. Phys. 2007. V. 8.

No 10. P. 1100-1128.

2. Захаров Н.Г., Савикин А.П., Шарков В.В., Еремейкин О.Н. Внутрирезонаторная лазерная спектроскопия газов CH4 и NH3 с использованием импульсно-периодического ZnSe:Cr2+-лазера // Оптика и спектроскопия. 2012. Т. 112. № 1. С. 35–38.

Исследование влияния частотной дисперсии материала на фокусировку Радиофизический факультет, Нижегородский государственный университет широкополосной терагерцовой спектроскопии. Особенность применяемых при создании фокусирующих систем для терагерцового излучения материалов такова, что даже в относительно узкой области терагерцовых частот они обладают сильной частотной дисперсией показателя преломления, что необходимо учитывать в процессе моделирования фокусирующих систем. Для оценки влияния частотной дисперсии показателя преломления на фокусировку ультракоротких терагерцовых импульсов в данной работе использованы методы Фурье-оптики [1].

Рассмотрим систему с одиночной линзой. Терагерцовый импульс, генерируемый в точке z = 0, падает на плоско-выпуклую цилиндрическую линзу ширины 2R и радиуса кривизны RL с фокусным расстоянием F, расположенную в точке z = z1.

Показатель преломления линзы для случая без дисперсии будем считать постоянным и равным 1.7, а для учета дисперсии зададим его при помощи уравнения Зельмейера [2]:

соответствующего распределению показателя преломления для кристаллического кварца.

В качестве объекта моделирования выбран терагерцовый импульс, возбуждаемый при оптической ректификации ТМ-поляризованного ультракороткого лазерного импульса амплитудой E0, распространяющегося со скоростью V = c/ng, где ng – оптический групповой показатель преломления через нелинейный кристалл ZnTe толщиной d [3]. Спектр волнового поля импульса на выходе из кристалла имеет следующий вид:

где p y = 4 3d14 E02 – амплитуда нелинейной поляризации, d14 – нелинейный коэффициент, kv, c = 2 v, c c 2 g 2, g – поперечное волновое число, l - характерная ширина волнового фронта, – характерная длительность импульса. Диэлектрические проницаемости вакуума и Рис. 2. Временные распределения ультракороткого импульса, сфокусированного линзой, без учета дисперсии (пунктирная кривая) и с учетом дисперсии (сплошная кривая), а также частотные спектры для обоих случаев.

Как следует из результатов моделирования, частотная дисперсия материала линзы существенно влияет как на форму фокусируемого ультракороткого терагерцового импульса, так и на его спектр, что приводит к пространственному перераспределению волнового поля, изменению длительности импульса и снижению его максимальной амплитуды в пятне фокуса.

Список литературы 1. Зверев В. А. – Радиооптика (преобразования сигналов в радио и оптике). М., «Сов.

радио», 1975. 304 с.

http://refractiveindex.info/?group=CRYSTALS&material= SiO 3. Bakunov M.I., Bodrov S.B., Maslov A.V., and Hangyo M. // Phys. Rev. B. 2007. V. 76.

P. 085346.

Исследование радиационной стойкости системы квантовой Радиофизический факультет, Нижегородский государственный университет Системы квантовой криптографии обладают целым рядом полезных качеств, основным из которых является повышенная устойчивость к «взлому». Это важно при применении указанных систем в космической и военной технике. Однако в случае их использования в спецтехнике будут предъявлены жесткие эксплуатационные требования, например, радиационная стойкость.

Очевидно, что общий уровень устойчивости системы квантовой криптографии к радиационному облучению определяется ее компонентами. С точки зрения радиационной стойкости стоит обратить внимание на излучающий элемент, выполненный в виде полупроводникового лазера или источника единичных фотонов, и детектор, представляющий собой лавинный фотодиод. В работе были рассмотрены основные физические процессы, связанные с радиационным воздействием, и проведен сравнительный анализ приборов, реализованных по различным технологиям (гомопереход, гетероструктура, квантовые точки).

Анализ показал, что наибольшее влияние на работу полупроводниковых приборов оказывают ионизация и дефектообразование. Разогрев при возникновении кластера радиационных дефектов не оказывает существенного влияния на качество работы полупроводниковых диодов, т.к. кластер имеет малые пространственные и временные масштабы ~ 10 нм и ~10 пс, а интегральный нагрев полупроводниковой структуры невелик.

Ионизация может привести к нарушению однофотонного характера излучения у источника единичных фотонов и увеличению вероятности ложного срабатывания фотодетектора на весь период облучения. Возникновение радиационных дефектов приводит к увеличению вероятности безызлучательной рекомбинации и увеличению вероятности ложного срабатывания фотодетектора из-за эмиссии электронов из радиационных кластеров.

Дефектообразование оказывает долгосрочное влияние, т.к отжиг дефектов происходит медленно из-за низких температур работы приборов в штатном режиме (принудительное охлаждение для реализации режима единичных фотонов). Преимущество приборов с квантовыми точками заключается в том, что из-за локализации электронно-дырочных пар в квантовых точках рекомбинация на дефектах возможна лишь, когда дефект расположен в самой точке. Но вероятность поражения указанной точки низка.

Таким образом, оценка радиационной стойкости системы квантовой криптографии показала возможность применения таких систем в военной и космической технике. Для анализа технологических и конструктивных решений, позволяющих построить такую аппаратуру, требуются дополнительные исследования.

Моделирование электронных процессов в светодиодных p+/n/n+ структурах И.А. Зимовец1), Д.О. Филатов2), М.О. Марычев1), Н.А. Алябина2), A.В. Корнаухов2) Физический факультет, Нижегородский государственный университет Научно-исследовательский физико-технический институт, Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского, Н. Новгород, Россия Кремний, легированный эрбием (Si:Er), являлся в последние годы объектом интенсивных исследований, что связано с перспективами его использования в светоизлучающих приборах [1]. К настоящему времени получены опытные образы светодиодов на базе Si:Er, работающих, как при прямом, так и при обратном смещении. Однако, если механизм возбуждения Er электролюминесценции (ЭЛ) при прямом смещении хорошо изучен, природа ЭЛ при обратном смещении к настоящему времени ещё не выяснена. В [2] предложен механизм возбуждения ЭЛ Er в светодиодах р+-Si/n-Si:(Er, B) при обратном смещении, заключающийся в туннельной инжекции электронов из валентной зоны Si на глубокие донорные уровни, связанные с Еr–комплексами, с последующей безызлучательной рекомбинацией на акцепторные состояния B с передачей энергии 4f-оболочке Er (рис. 1).

В настоящей работе излагается модель процессов возбуждения ЭЛ в светодиодах р+-Si/nSi:(Er, B)/n+-Si при обратном смещении по вышеописанному механизму.

Рис. 1. Модельная зонная диаграмма структуры p+-Si/n-Si:(Er, В) (300К) при обратном смещении Vd = 1 В.

Зонная диаграмма p+-Si/n-Si:(Er, B) перехода в стационарном состоянии (рис. 1) рассчитывалась путём численного решения уравнения Пуассона с учётом заряда глубоких доноров в слое Si:(Er, B). Концентрации и параметры глубоких доноров (энергия ионизации фотоэлектрической спектроскопии светодиодов на базе структур р+-Si/n-Si:(Er, B)/n+-Si, выращенных методом сублимационной молекулярно-лучевой эпитаксии [3]. Расчёт темпа рекомбинации электронов с глубоких уровней Er на мелкие акцепторные состояния B (сопровождающийся резонансным возбуждением ионов Er) основывался на решении уравнения непрерывности для каждого типа глубоких уровней с учётом туннельной инжекции электронов из валентной зоны Si и с мелких акцепторных состояний B на глубокий уровень, а также туннельной и термической ионизации глубокого уровня (с учётом эффекта Пула-Френкеля). Кроме того, учитывался вклад межзонного туннелирования электронов с участием фононов (механизм Келдыша-Кейна) в полный ток через диод. Также учитывался разогрев активной области светодиода в процессе работы выделяющимся джоулевым теплом. Результаты модельных расчётов вольт-амперных и ватт-амперных характеристик (ВАХ и ВтАХ, соответственно) моделируемых светодиодов сравнивались с экспериментально измеренными ВАХ и ВтАХ. Было найдено, что модельные ВАХ и ВтАХ качественно и количественно удовлетворительно согласуются с экспериментальными, что может служить подтверждением того, что предложенный в [2] механизм возбуждения ЭЛ ионов Er действительно реализуется в моделируемых светодиодах р+-Si/n-Si:(Er, B)/n+-Si при обратном смещении.

Список литературы 1. Kenyon A.J. Erbium in Silicon // Semicond. Sci. Technol. 2005. V. 20, №12. P. R65-R89.

2. Корнаухов А.В., Ежевский А.А., Марычев М.О., Филатов Д.О., Шенгуров В.Г.

О природе электролюминесценции на длине волны 1,5 мкм для легированных эрбием кремниевых структур с p/n переходом в режиме пробоя при обратном смещении, полученных методом сублимационной молекулярно-лучевой эпитаксии // Физика и техника полупроводников. 2001. Т. 45, №1. С. 87– 91.

3. Филатов Д.О., Зимовец И.А., Горшков А.П., Волкова Н.С., Мишкин В.П., Алябина Н.А., Корнаухов А.В., Кузнецов В.П. Глубокие уровни в слоях Si:Er, выращенных методом сублимационной молекулярно-лучевой эпитаксии // Материалы XVII Симпозиум «Нанофизика и наноэлектроника». Н.Новгород: Изд. ИФМ РАН, 2013. Т. 2. С. 623-624.

О поведении вектора Пойнтинга при рассеянии плоской электромагнитной волны на гиротропном цилиндре Радиофизический факультет, Нижегородский государственный университет В последнее время повышенный интерес вызывает рассеяние электромагнитных волн нитевидными волокнами, углеродными нанотрубками, фотонными кристаллами и т.п. [1–3].

Несмотря на значительный прогресс в исследовании дифракции электромагнитных волн на различных системах, состоящих из изотропных рассеивателей [1, 2], результаты, полученные для решеток гиротропных элементов, демонстрируют ряд новых интересных особенностей рассеяния [3, 4]. Однако детальное рассмотрение некоторых характеристик рассеянного поля в этом случае, в частности поведения вектора плотности потока энергии в ближней зоне даже одиночного гиротропного рассеивателя, в литературе отсутствует.

В настоящей работе исследуется рассеяние плоской электромагнитной волны H поляризации на круговом цилиндре, заполненном однородной холодной бесстолкновительной магнитоактивной плазмой, в случае, когда радиус цилиндра значительно меньше длины падающей волны. Предполагается, что ось цилиндра параллельна внешнему постоянному магнитному полю. Показано, что расщепление квазистатического резонанса при наложении постоянного магнитного поля сопровождается значительным изменением структуры рассеянного поля по сравнению со случаем изотропного цилиндра. Так, в отличие от последнего случая, когда рассеянное поле на частоте резонанса поверхностного плазмона имеет характерный дипольный вид, для гиротропного цилиндра на частотах квазистатических дипольных резонансов рассеянное поле имеет спиралевидную структуру. Кроме того, в указанных двух случаях существенно различаются и особенности поведения плотности потока энергии в пространстве. В частности, вблизи изотропного плазменного цилиндра существуют области, в которых средний по времени вектор Пойнтинга циркулирует по замкнутым траекториям, либо происходит разделение линий потока энергии (см. рис. 1(а, б)). Центры указанных областей симметричны относительно направления падения волны, вследствие чего особые точки 3, 5, 7, 9, 13, 15 на левых сторонах рис. 1(а, б) оказываются зеркально симметричными соответствующим точкам 4, 6, 8, 10, 14, 16 на правых сторонах тех же рисунков.

Рис. 1. Абсолютное значение (цветовой контур) и пространственная структура (белые линии) поля среднего по времени вектора Пойнтинга для изотропного (а, б) и гиротропного (в, г) цилиндров. Стрелками показано направление потока энергии. Цифрами отмечены особые точки поля вектора Пойнтинга.

Напротив, замагниченный плазменный цилиндр характеризуется асимметричной структурой линий плотности потока энергии (см. рис. 1(в, г)). При этом, как и в предыдущем случае, существуют особые точки, вокруг которых поток энергии циркулирует по замкнутым траекториям (точки 3, 4, 6 на рис. 1(в, г)), причем вблизи одной из этих точек на границе гиротропного цилиндра (точка 6 на рис. 1(г)) абсолютное значение вектора Пойнтинга превышает на несколько порядков соответствующую величину на границе изотропного цилиндра.

Таким образом, в случае цилиндра, заполненного магнитоактивной плазмой, структура линий плотности потока энергии характеризуется заметной асимметрией, а абсолютное значение данной величины на границе такого рассеивателя может существенно превышать соответствующую величину на границе изотропного плазменного цилиндра.

Работа выполнена при поддержке РФФИ (грант № 12-02-31181), Правительства РФ (грант № 11.G34.31.0048) и Минобрнауки РФ (проект № 14.B37.21.0901).

Список литературы 1. Joannopoulos J.D. Photonic crystals: Molding the flow of light. Princeton University Press, Singapore, 2008. 286 с.

2. Decoopman T. et al. Photonic crystal lens: From negative refraction and negative index to negative permittivity and permeability // Phys. Rev. Lett. 2006. V. 97. No. 7. P. 073905-1–073905He C. et al. Parity-time electromagnetic diodes in a two-dimensional nonreciprocal photonic crystal // Phys. Rev. B. 2011. V. 83. No. 7. P. 075117-1–075117-8.

4. Es’kin V.A. et al. Multiple scattering of electromagnetic waves by an array of parallel gyrotropic rods // Phys. Rev. E. 2012. V. 86. No. 6. P. 067601-1–067601-5.

Влияние магнитного поля на проводимость открытой квантовой системы с биллиардом в присутствии спин-орбитального взаимодействия Физический факультет, Нижегородский государственный университет Использование спиновых степеней свободы носителей заряда и управление ими посредством спин-орбитального взаимодействия (далее СОВ) является одной из актуальных задач современной полупроводниковой спинтроники. Всё больше вопросов в этой области науки обретают практический смысл.

Как недавно было показано [1], в открытых системах c биллиардами СОВ приводит к появлению на зависимости проводимости от энергии носителей дополнительных асимметричных резонансов Фано, ширина которых при малой интенсивности СОВ пропорциональна четвертой степени параметра СОВ (Рашбы или Дрессельхауза). В работе [2] было, в частности, показано, что области появления подобных резонансов однозначно соответствуют уровням энергии в соответствующем закрытом биллиарде.

Настоящая работа посвящена исследованию транспортных свойств открытой квантовой системы, представляющей собой круглый биллиард с примыкающими входным и выходным каналами, с учетом СОВ Дрессельхауза. По сути, исследуемая структура является квантовой точкой с подведёнными к ней квазиодномерными каналами. Особенность заключается в наличии внутри биллиарда слабого однородного магнитного поля, ориентированного перпендикулярно плоскости структуры (см. рис. 1). Для решения стационарного уравнения Шредингера в системе применяется оригинальный метод, разработанный ранее [3].

Рис. 1. Круглый биллиард с примыкающими входным (1) и выходным (2) каналами.

Слабое магнитное поле приводит к тому, что резонансы Фано на зависимости проводимости системы от энергии носителей заряда, связанные с СОВ [1, 2], симметрично расщепляются на пары резонансов вдвое меньшей амплитуды (см. рис. 2).

Рис. 2. Фрагмент зависимости проводимости системы от энергии носителей заряда для системы с СОВ Дрессельхауза при = 193 мкэВ·нм без магнитного поля (тёмная кривая), а также в системе с магнитным полем Известно, что в отсутствие магнитного поля состояния на входе и на выходе из системы имеют одинаковую спиновую поляризацию [1, 2]. На этот факт ранее указывалось также в работе [4]. При решении настоящей задачи получено, что включение магнитного поля приводит к качественному изменению выходного состояния: оно, в отличие от входного, всегда является суперпозицией двух волн, имеющих разную поляризацию.

Что касается коллапса резонансов Фано, вызванных СОВ, то расчеты показывают, что включение слабого магнитного поля не вносит качественных изменений в этот процесс:

ширина резонансов убывает согласно тому же степенному закону, что был обнаружено ранее [1-2].

Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (грант № 13-02-00717а).

Список литературы 1. Исупова Г.Г., Малышев А.И. Резонансные особенности кондактанса открытых биллиардов со спин-орбитальным взаимодействием // Письма в ЖЭТФ. 2011. Т. 94. Вып. 7.

С. 597-600.

2. Исупова Г.Г., Малышев А.И. Резонансные особенности проводимости открытых биллиардов: влияние спин-орбитального взаимодействия Известия РАН. Серия физическая. 2013. Т. 77. №1. С. 92-96.

3. Исупова Г.Г., Малышев А.И. Метод расчёта волновой функции в открытых биллиардах со спин-орбитальным взаимодействием // Журн. Вычислительной Математики и Математической Физики. 2012. Т. 52. №2. С. 342-352.

4. Bulgakov E.N., Sadreev A.F. Spin rotation for ballistic electron transmission induced by spin-orbit interaction // Phys. Rev. B. 2002. V. 66. P. 075331-1-075331-11.

Бесконтактное определение формы поверхности жидкости методом цифровой визуализации при лабораторном моделировании Радиофизический факультет, Нижегородский государственный университет Одной из главных задач при проведении экспериментов по исследованию ветроволнового взаимодействия является измерение характеристик поверхностного волнения. Для исследования процессов обрушения ветровых волн необходимо иметь возможность измерять не только временные, но и пространственные характеристики взволнованной поверхности с высокой точностью. В настоящей работе предлагается методика измерения формы поверхности и получения усредненных по турбулентным флуктуациям характеристик поверхностного волнения в широком диапазоне скоростей воздушного потока, основанная на использовании лазерной подсветки, скоростной видеосъемки и специальных алгоритмов анализа изображений.

возмущений, образующихся при обрушении волн, так как учет коротковолновой части возмущений (шероховатости поверхности) принципиально необходим для правильного нахождения коэффициента сопротивления водной поверхности [1]. Для исследования длинноволновой части поверхностного возмущения используется комбинация с дополнительными измерениями струнными волнографами.

Рис. 1. Сечение ветро-волнового канала. Общая схема эксперимента.

Эксперименты по исследованию формы поверхностных волн генерируемых ветром проводились в лабораторных условиях на экспериментальной установке Высокоскоростном Ветро-волновом Термостратифицированном канале ИПФ РАН (ВВТК). Параметры установки позволяют моделировать ветро-волновое взаимодействие в пограничных слоях атмосферы и океана при экстремальных гидрометусловиях. В том числе достигать ураганных скоростей ветра и реализовывать режим регулярного обрушения волн.

Для поиска границы (контура) взволнованной поверхности на изображении, получаемом с использованием лазерной подсветки и высокоскоростной камеры, был использовал метод Канни [2]. Результат работы алгоритма показан на рис. 2.

Рис. 2. Найденная с помощью предложенного алгоритма форма границы поверхности воды.

Была проведена серия тестовых экспериментов по исследованию пространственных характеристик ветровых волн в широком диапазоне скоростей воздушного потока в ВВТСК.

В ходе экспериментов с увеличением скорости наблюдался переход от слабого обрушения волн к достаточно интенсивному обрушению волн с образованием брызг и пенных гребней.

Получены средние спектры коротковолновой части возмущений поверхности по волновым числам. Комбинирование этих данных, с результатами измерений системой струнных волнографов позволили найти спектры в диапазоне от 0,1 до 20 см-1.

Работа выполнена при поддержке РФФИ (проект 11-05-12047-офи-м, 13-05-00865-а, 12-05-33070, 12-05-01064-а, 12-05-31435), Гранта Президента МК-5575.2012.5, ФЦП №14.132.21.1384 и гранта Правительства РФ № 11.G34.31.0048.

Список литературы 1. Troitskaya Yu.I., Sergeev D.A., Kandaurov A.A., Kazakov V.I. Air-sea interaction under hurricane wind conditions // Recent Hurricane Research - Climate, Dynamics, and Societal Impacts ISBN 978-953-307-238-8 Book edited by: Prof. Anthony Lupo. 2011. P. 248-268.

2. Canny J. A. Computational Approach To Edge Detection // IEEE Trans. Pattern Analysis and Machine Intelligence, 8(6):679–698, 1986.

Классификация паттернов пачечной электрической активности Радиофизический факультет, Нижегородский государственный университет Исследование механизмов генерации и распространения электрических сигналов в клеточных сетях мозга является одной из актуальных задач современной нейронауки.

Считается, что такие сигналы участвуют в процессах кодирования, передачи и обработки информации на сетевом уровне и отвечают за формирование когнитивных функций.

Объектом исследования могут являться как живые клеточные культуры гиппокампа грызунов, выращенные на мультиэлектродных матрицах [1], так и их математические модели – виртуальные нейронные сети. Доказано, что сигнализация в них представляет собой пачечные разряды, характерные высокой частотой импульсов на большинстве нейронов сети в определенные промежутки времени [2, 3].

Целью данного исследования является разработка метода анализа и классификации синхронных пачечных разрядов, которые, как считается, имеют свойство повторяться на протяжении длительных временных интервалов [2, 3]. Это может быть связано с формированием стабильной топологии нейронной сети. Изучение устойчивости межклеточной сигнализации может стать ключом к пониманию принципов организации сетей и синаптической пластичности.

математической модели нейронной сети из 500 клеток. Нейроны располагались случайным образом внутри ограниченной области на плоскости, соотношение возбуждающих и тормозных элементов 80% на 20% соответственно, вероятность наличия синаптической связи между нейронами монотонно спадает на расстоянии. Динамика мембранного потенциала каждого элемента описывалась пороговой моделью, синаптические контакты моделировались с кратковременной (частотно-зависимая депрессия) и долговременной пластичностью в виде правила STDP (Spike-timing-dependent plasticity). Такое правило изменяет силы синаптических связей так, что их изначально заданное гауссово распределение в процессе спонтанной сетевой сигнализации преобразуется в асимметричное.

Был предложен метод анализа и классификации пачечных разрядов, основанный на детектировании паттернов активации (первых импульсов на каждом нейроне в разряде).

Такие паттерны максимально информативно отражают последовательность передачи возбуждений от клетки к клетке внутри нейронной сети.

Ключевые моменты метода. Мера расстояния между паттернами вычислялась по аналогии с нормой разности двух N-мерных векторов в метрическом пространстве [4]. С помощью теста Манна-Уитни было доказано наличие в записи множества неслучайно похожих друг на друга паттернов активации.

Производился последовательный поиск наиболее близких друг к другу паттернов, результатом которого является цепочка расстояний. Разбиение звеньев данной цепочки на две группы – расстояния между реальными паттернами и суррогатными – позволяет оценить число оригинальных пачечных разрядов, генерируемых нейронной сетью. При подмешивании большого количества случайных данных в запись (50 суррогатов на 1 паттерн активации) было обнаружено, что доля таких разрядов составляет порядка 50% от детектированных пачек.

Группы близких по пространственно-временной структуре разрядов (мотивы) выделялись из цепочки расстояний путём введения порогового расстояния. Исследовано влияние нейронного шума на число детерминированных пачечных разрядов. Установлено, что с повышением уровня шума число мотивов в такой сети уменьшается.

Исследование выполнено при поддержке Программы МКБ РАН и Минобрнауки РФ (соглашения №№ 8055, 14.В37.21.0927, 14.132.21.1663, 14.B37.21.1073, 14.B37.21.0194, 14.В37.21.1203).

Список литературы 1. Мухина И.В., Иудин Д.И., Захаров Ю.Н., Симонов А.Ю., Пимашкин А.С., Казанцев В.Б. Стабильность и вариабильность паттернов сетевой активности развивающихся нейрональных сетей мозга: биологические и математические модели // Труды научной сессии НИЯУ МИФИ. 2010. С. 184–192.

2. Beggs J.M., Plenz D. Neuronal avalanches are diverse and precise activity patterns that are stable for many hours in cortical slice cultures // The Journal of Neuroscience. 2004. № 24(22).

P. 5216–5229.

3. Rolston J.D., Wagenaar D.A., Potter S.M. Precisely timed spatiotemporal patterns of neural activity in dissociated cortical cultures // Neuroscience. 2007. № 148(1), P. 294–303.

4. Pimashkin A.S., Kastalskiy I.A., Simonov A.Yu, Koryagina E.A., Mukhina I.V., Kazantsev V.B. Spiking signatures of spontaneous activity bursts in hippocampal cultures // Frontiers in computational neuroscience. 2011. № 5:46. P. 1–12.