Короткие импульсы деформации с частотами до терагерца и амплитудами ≤0.1% в последнее время используются для акустической наноскопии сложных объектов, включая 2D материалы и даже отдельные живые клетки. Для создания таких импульсов традиционно используется нагрев тонких плёнок металла фемтосекундными лазерными импульсами. Однако значительный нагрев образца может повредить сложные изучаемые объекты, что существенно ограничивает применяемые амплитуды деформации.

Нами было предложено использовать новый механизм для генерации пикосекундных импульсов деформации, не приводящий к избыточному нагреву — сверхбыстрый фазовый переход (СФП) первого рода. Нами было показано экспериментально (Рис. 1(а)), что воздействие фемтосекундных лазерных импульсов с энергией выше насыщения СФП на 100 нм плёнку диоксида ванадия VO₂ приводит к генерации импульса деформации с большой амплитудой, ε>0.4%, и нетермическим вкладом от СФП εСФП=0.23% (Рис. 1(б)). Применение материала с СФП привело к трёхкратному уменьшению нагрева образца, необходимого, для генерации импульса деформации амплитуды 0.4% (Рис. 1(в)).

Разработаны и исследованы мощные квантово-каскадные лазеры (ККЛ) для спектральных диапазонов 4.5 и 8 мкм, демонстрирующие лазерную генерацию при комнатной температуре. Повышение выходной мощности ККЛ потребовало решения целого ряда фундаментальных задач, направленных на повышение ограничения носителей и подавление их выброса из квантовых ям, оптимизацию соотношения оптических утечек и электрической проводимости лазерной структуры, достижение оптимального баланса усиления и рабочего напряжения многокаскадной структуры. Оптимизация состава гетеропар, количества квантовых каскадов и параметров волновода позволило для обоих диапазонов достичь выходной мощности в импульсном режиме более 10 Вт с одного излучателя. Максимальная продемонстрированная мощность 13 Вт на длине волны 8 мкм является рекордной для этого спектрального диапазона.

Быстрые радиовсплески — мощные импульсы радиоизлучения длительностью несколько миллисекунд — были открыты в 2007 году. Ежедневно во Вселенной случается множество таких высокоэнергичных событий, однако их природа до сих пор оставалась невыясненной. Магнетары — редкие молодые нейтронные звезды с рекордными для Вселенной магнитными полями выше 1010 Тл, превышающими критическое поле поляризации вакуума квантовой электродинамики, производят мощные вспышки рентгеновского излучения. 28 апреля 2020 г. космическим гамма-спектрометром ФТИ им. Иоффе «Конус-WIND» была зарегистрирована вспышка от магнетара SGR 1935+2154, с необычно жестким спектром, сопровождавшаяся мощным радиовсплеском, измеренным радиотелескопами CHIME и STARE2.

Одновременное детектирование и точное совпадение пиков на кривых блеска рентгеновского и радиоизлучения (Рис. 1) впервые позволило установить связь между галактическими магнетарами и быстрыми радиовсплесками. Детальный анализ необычных свойств этой вспышки позволил выдвинуть гипотезу о генетической связи радиовсплесков с редкими аномально жесткими рентгеновскими вспышками магнетаров и подкрепить ее согласием оценок частоты таких событий.

Разработан детектор электронов [1] на основе нового кремниевого лавинного фотодиода с входным окном порядка 10 нм и трансимпедансного усилителя с полосой пропускания ~50 МГц. За счёт тонкого входного окна новый лавинный фотодиод [1] регистрирует единичные электроны с энергией от 500 эВ. Скорость регистрации позволяет набирать статистику в спектрометрическом режиме для потоков 2.5*10⁷ событий в секунду с активной области площадью 0.785 мм². На рисунке (а) представлена лавинного фотодиода, (b) приведены спектры электронов с энергиями: 1—5 keV, 2—10 keV, 3—15 keV, 4—keV, 5—20 keV, 6—25 keV, 7—30 keV, измеренные в KIT (Карлсруэ, Германия).

В данный момент в экспериментах по определению абсолютной шкалы массовых состояний нейтрино применяются системы регистрации электронов (ИЯИ Москва, Россия и KIT Карлсруэ, Германия) ограниченные скоростью счёта не более 3 103 электронов в секунду, что существенно ограничивает возможности фундаментальных исследований. Совокупность характеристик нового детектора, а именно энергетического разрешения не хуже 500 эВ и скорости счёта не меньше 2.5*10⁷ событий в секунду с активной области площадью 0.785 мм² позволит создать гибридный детектор площадью 78 мм² и обеспечить скорость регистрации электронов в спектрометрическом режиме не хуже 108 событий в секунду в рамках экспериментов по поиску сигнала стерильных нейтрино.

Создание новых типов фотоэлектрических преобразователей (ФП) солнечного и лазерного излучений требует обеспечения проводимых работ необходимыми и обязательными процедурами исследования характеристик и подтверждения параметров полупроводниковых структур и фотопреобразовательных элементов.

Разработанные методики и оборудование в полной мере обеспечивают экспериментальные условия в части моделирования параметров световых потоков, учитывают структурные и оптико-физические особенности образцов, имеют долговременную стабильность технических параметров и метрологическую прослеживаемость для получаемых результатов измерений. Функциональные возможности имитаторов солнечного и источников лазерного излучений и спектрального оборудования позволили реализовать ряд уникальных измерительных методик, позволивших исследовать люминесцентные взаимодействия в многопереходных структурах с оценкой их влияния на регистрируемые фотоэлектрические параметры (спектральная чувствительность, фототок, напряжение, мощность, кпд) ФП в диапазоне температур от 80 К до 450К; выявлять нелинейности для зависимости фототока ФП от освещенности (до 300 Вт/см²); регистрировать пиковые туннельные токи (до 150 А/см²). Исследования спектральных зависимостей (квантового выхода фотоответа, коэффициентов отражения и пропускания) ФП и лавинных фотодиодов проводятся при смещающих напряжениях до 500В и многоволновой (лазерной) подсветке. Отработана методика определения абсолютных значений фоточувствительности многопереходного ФП с оптически связанными субэлементами, исследованы переходные температурные процессы для ФП при импульсной подаче мощного лазерного излучения и другие.

Разработаны и переданы для практической реализации в ОАО Элеконд« системы слежения за Солнцем для использования в фотоэнергоустановках с концентраторными фотоэлектрическими модулями. Разработана и внедрена система мониторинга выработки электроэнергии фотоэнергоустановкой и точности слежения за Солнцем, включающая: измерение параметров энерговыработки и точностных характеристик слежения. Разработанная система мониторинга позволяет производить анализ эксплуатационных характеристик концентраторных фотоэнергоустановок с одновременной регистрацией текущих метеорологических условий. Практическое применение разработанных прецизионных систем слежения за Солнцем (с точностью слежения ±0,1 угл. градуса) обеспечивают увеличение в 1,3-1,5 раза выработки электроэнергии концентраторными солнечными батареями и пропорциональное снижение стоимости солнечной электроэнергии.

Важной технологической операцией для повышения эффективности солнечных преобразователей на основе кремния является создание на поверхности тонких пластин кремния текстур с размерами шероховатостей, близкими к длинам волн видимого света, при сохранении их высокой прочности. Нами разработанные новые технологии окисления под слоем V2O5. Рассмотрено влияние различных вариантов структурирования поверхности кремниевых пластин на их прочностные свойства методом «кольцо-в-кольцо». В рамках модели конечных элементов получены картины распределений напряжений на поверхности пластин при их прогибе (рис. 1). Рассчитаны зависимости максимальных напряжений и прогибов от нагрузки. Средние значения и среднеквадратичные отклонения прочности для каждой группы пластин кремния приведены в Таб.1. В НТЦ ТПТ при ФТИ им. А.Ф. Иоффе были изготовлены пластины (Рис.2.) и изготовлены солнечные элементы по технологии высоко-эффективных гетероструктур типа HIT (Таб.2).

Магнитный резонанс, открытый в России, является мощным аналитическим методом изучения спиновых явлений, доступным для физиков, химиков, биологов. Магистральным направлением развития магнитного резонанса является повышение рабочих частот и использование двойных резонансов, в которых чувствительность может достигать естественного предела — регистрации спина одиночного квантового объекта. Нами впервые в мировой практике разработана линейка высокочастотных спектрометров электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) и оптически детектируемого магнитного резонанса (ОДМР), работающих в непрерывном и импульсном (электронное спиновое эхо - ЭСЭ) режимах с регистрацией резонанса в основных и возбужденных состояниях по микроволновому и оптическому каналам, выполненная на единой технологической платформе с использованием коммерческой криогенной системы замкнутого цикла. Широкие возможности спектрометра продемонстрированы на многочисленных спиновых системах, включая ЭПР, ЭСЭ, ОДМР NV- дефектов в алмазе, ионов Tb3+, Gd3+, Ce3+, Er3+ и др. в гранатах, основных электрически активных примесей и спиновых кубитов в SiC.

Разработан селективный метод полупроводниковой Фурье-спектроскопии газового анализа микропримесей летучих углеводородов, содержащихся в атмосферном воздухе, и на его основе предложен нелинейно-регрессионный алгоритм обработки сигналов полупроводниковых температурно-модулированных химических газовых сенсоров (рис. (а), (b), (c)). Построена теория метода полупроводниковой Фурье-спектроскопии газового анализа для задачи увеличения селективности, чувствительности и быстродействия химических сенсоров, работающих в режиме температурной модуляции полезного сигнала. Такой режим позволяет получать спектральную характеристику датчика из суммарного изменения его электропроводности во времени при увеличении (уменьшении) температуры датчика в анализируемой или калибровочной газовой среде (рис.(а)). Интегральные преобразования Фурье для непериодических функций выделяют из полезного сигнала детектора амплитудно-частотный спектр концентрационного воздействия на проводимость полупроводника компонента газовой смеси, причем частотная характеристика преобразования Фурье определяет селективность детектора, а отсутствие частотного сдвига отвечает за стабильность его работы. На основе метода разработан нелинейно-регрессионный алгоритм обработки сигналов полупроводниковых газовых сенсоров, работающих в режиме температурной модуляции, что позволяет селектировать детектируемые компоненты атмосферного воздуха с доверительной вероятностью не ниже 95% (рис.(b)). В кратчайшие сроки совместно с индустриальным партнером разработан, изготовлен и испытан макетный образец портативного Фурье-анализатора (рис.(с)).

Разработан радиометрический метод среднего ИК диапазона для высокоточного in situ измерения изменения температуры при изучении пироэлектрических и электрокалорических свойств объемных материалов и тонких пленок. Метод основан на использовании новых полупроводниковых узкополосных быстродействующих сенсоров среднего ИК диапазона. Нечувствительность разработанных сенсоров к излучению с длинами волн меньше 1 микрона обеспечивает их высокую чувствительность и точность измерения изменений температуры (50 mK при 20 оС и 1 mK при 200 оС) при комнатной температуре. Сформулированы условия надежных и воспроизводимых измерений пироэлектрических и электрокалорических параметров различных материалов с помощью предложенного метода. Произведена апробация метода на объемных материалах. Впервые выполнены измерения пироэлектрического эффекта на тонких AlN пленках. Описание общей методики измерений с помощью фотоприемников среднего ИК диапазона опубликовано в статье: Mid-infrared radiation technique for direct pyroelectric and electrocaloric measurements. G. Yu. Sotnikova, G. A. Gavrilov, A. A. Kapralov, K. L. Muratikov, and E. P. Smirnova. Rev. Sci. Instrum., Volume 91, 015119 (11 pages), 2020.

Наностержни «ядро-оболочка» способны одновременно излучать свет на разных длинах волн из квантовых ям InGaN/GaN, сформированных на различных кристаллографических гранях [Robin, Evropeitsev, Shubina et al. Nanoscale 11, 193 (2019); Sci. Rep. 8, 7311 (2018)]. Методами спектроскопии фотолюминесценции структур различного дизайна подтверждено интенсивное излучение неполярных («синих») и полуполярных («зелёных») квантовых ям. В то же время было обнаружено, что интенсивность излучения полярных («красных») квантовых ям, расположенных в острие, несоразмерно мала из-за эффекта Штарка, малой площади ям и низкой плотности фотонных состояний в этой области. Широкая желто-красная полоса в основном связана с дефектами в GaN ядре. Предложена гибридная конструкция, в которой полярные ямы расположены внутри ядра, а их возбуждение осуществляется коротковолновым излучением неполярных ям. Это решит насущную проблему красного света для многих применений наностержней, таких как эффективные белые светодиоды и многоцветные дисплеи.

Электрическая проводимость за счёт формирования вязкого гидродинамического течения электронов (например, течения Пуазейля) была недавно реализована в ультрачистых квантовых ямах GaAs, графене и других современных материалах.

Мы разработали теорию эффекта вязкости для реалистичного ферми-газа из двумерных (2D) электронов, взаимодействующих по закону Кулона. Показано, что в отличие от случая ферми-жидкости, в 2D электронном ферми-газе функция распределения электронов, описывающая вязкое течение, имеет простую структуру, соответствующую приближению времени релаксации для интеграла электрон-электронных столкновений. На основе этого результата рассчитано время релаксации сдвиговых напряжений τ_ee,2, определяющее коэффициенты вязкости. Показано, что релаксация напряжений в 2D ферми-газе определяется преимущественно столкновением электронов с противоположно направленными импульсами и рассеивающихся на малые углы, что определяет специфическую зависмость τ_ee,2 от температуры и концентрации электронов. Выполнен анализ температурных зависимостей вязкости, полученных из экспериментальных данных по гигантскому отрицательному магнитосопротивлению в высокоподвижных квантовых ямах GaAs. Такое магнитосопротивление, как было показано ранее, является важным признаком формирования вязкого течения электронов и пропорционально их коэффициенту вязкости, зависящему от магнитного поля. Для разных относительных величин межчастичного взаимодействия, которые контролируются концентрацией электронов, экспериментальные температурные зависимости времени τ_ee,2(Т) согласуются с рассчитанной зависмостью τ_ee,2(Т) для кулоновского ферми-газа или с ранее известной зависимостью τ_ee,2(Т) для ферми-жидкости из сильно взаимодействующих 2D электронов. Таким образом, измерения температурной зависимости вязкости 2D электронов могут позволить экспериментально проследить за переходом между случаями ферми-жидкости и ферми-газа при изменении концентрации электронов.

Развит метаморфный подход, позволяющий создавать методом молекулярно-пучковой эпитаксии эффективные источники излучения среднего ИК диапазона (λ = 2.6—4.5 мкм) [1] и гетероструктуры с высокой подвижностью электронов в двумерном канале In^0.75Ga^0.25As (μ~ 1.7*105 см₂/(В∙с) при T = 1.3 K) [2] на подложках GaAs, рассогласованных по параметру решётки с активной областью структур более, чем на 5%. Разработаны эффективные методы снижения плотности протяжённых дефектов в активной области гетероструктур InSb/InAs/In(Ga,Al)As/GaAs до значений ≤ 107 см_-2, заключающиеся в использовании оригинального метаморфного буферного слоя (МБС) InxAl^1-xAs с корневым профилем изменения состава, а также в обеспечении баланса упругих механических напряжений в волноводных и квантоворазмерных слоях [1]. Методами численного моделирования получены распределения дислокаций несоответствия и упругих напряжений вдоль направления роста МБС InAlAs с различными градиентами состава (ступенчатым, линейным, корневым), наблюдавшиеся ранее экспериментально [3]. На подложках GaAs реализованы первые прототипы метаморфных светодиодных гетероструктур InSb/InAs/In(Ga,Al)As, излучающие в диапазоне 3.1—3.8 мкм со значением внутренней квантовой эффективности 5% при 300К, а также лазерные гетероструктуры, демонстрирующие стимулированное излучение на длине волны 2.86 мкм при 60 К.

В отличие от перовскитов-оксидов, ни одни фтороперовскит не является сегнетоэлектриком или мультиферроиком. Однако недавние теоретические работы предсказывают существование подавленной сегнетоэлектрической неустойчивости в ромбических фтороперовскитах. В нашей работе впервые было экспериментально продемонстрировано, что ромбический фтороперовскит NaMnF₃ является зарождающимся мультиферроиком, в котором намечающаяся сегнетоэлектрическая неустойчивость сосуществует и взаимодействует с антиферромагнитным упорядочением.

Измерения спектров пропускания в ТГц диапазоне показали, что частота низкочастотного полярного B2u фонона значительно смягчается при охлаждении (см. Рис. 1), но не достигает нуля, аналогично мягкой моде в квантовых параэлектриках SrTiO₃, CaTiO3 и др. Кроме того, при антиферромагнитном упорядочении смягчающийся фонон в NaMnF₃ проявляет сильную связь с магнитной подсистемой, предположительно в результате динамической модуляции обменного взаимодействия. Наши результаты впервые прояснили микроскопические механизмы зарождающегося мультиферроизма в Pnma фтороперовскитах и открыли данный класс материалов для дальнейших исследований.

Синтетические мультиферроики, состоящие из слоев ферромагнетика и сегнетоэлектрика, связанных между собой за счет деформаций и магнитоупругости являются перспективными материалами для ячеек магнитной памяти, управляемых электрическим полем, электрически-переключаемых волноводов для спиновых волн и др. Управление намагниченностью таких структур короткими лазерными импульсами может расширить их функциональные свойства.

Используя методику оптической накачки-зондирования мы показали, что воздействие фемтосекундных лазерных импульсов позволяет изменять энергию магнитной анизотропии в синтетическом мультиферроике CoFeB/BaTiO₃ (Рис. 1а)). Это происходит в результате сверхбыстрого лазерно-индуцированного нагрева и уменьшения магнитоупругого параметра CoFeB и приводит к уменьшению связи между намагниченностью CoFeB и поляризацией BaTiO₃. Такой эффект позволил селективно возбуждать прецессию намагниченности в отдельных доменах CoFeB и, при определенных условиях, реализовать лазерно-индуцированное прецессионное переключению намагниченности.

Коллоидные нанопластинки (НП) CdSe толщиной 3, 4 и 5 монослоев были изучены методом неупругого рассеяния света с переворотом спина (РСПС). При приложении магнитного поля в спектрах РСПС наблюдается линия, сдвинутая на зеемановскую энергию электрона. Она обусловлена взаимодействием экситонов с резидентными электронами в фотозаряженных НП. Более того, в спектре наблюдается линия, сдвинутая на удвоенную величину зеемановского расщепления электрона. Такое двукратное РСПС впервые наблюдается в наноструктурах. Механизм, ответственный за двойную реплику, включает два резидентных электрона, спины которых переворачиваются при взаимодействии с фотовозбужденным экситоном. В работе построена теория одно- и двукратного рассеяния, предсказывающая зависимости эффективности рассеяния от поляризации света и геометрии эксперимента, что, в частности, позволяет сделать выводы о расположении НП на подложке. Установлена зависимость g-фактора электрона от толщины НП, а также его анизотропия. Метод РСПС позволяет исследовать спиновую структуру уровней, измерять g-факторы носителей заряда и их анизотропию, изучать спин-зависимые явления и эффекты фотозарядки в коллоидных наноструктурах.

В изолирующем моноклинном кристалле оксиде галлия, выращенным в атмосфере кислорода, изучен эффект нестационарной фото-эдс на длине волны 457 нм. Кристалл является прозрачным для видимого света, тем не менее, формирование динамических решеток объемного заряда и регистрация сигнала нестационарной фото-эдс осуществляется без приложения внешних электрических полей к образцу. Фоточувствительный материал демонстрирует анизотропию вдоль направлений [100] и [010], а именно, наблюдается небольшое различие транспортных параметров и ярко выраженная поляризационная зависимость сигнала нестационарной фото-эдс. Для выбранной длины волны лазерного излучения определены фотопроводимость кристалла, чувствительность и длина диффузии электронов, проведено сравнение с аналогичными параметрами других широкозонных полупроводников

Квадратичный магнитооптический эффект Керра (КМЭК) аномально большой величины, а также сильные полярный и меридиональный линейные эффекты Керра обнаружены в тонких ферромагнитных пленках Gd-замещенного и исходного соединения оксида европия EuO. Высококачественные наноразмерные плёнки (Eu,Gd)O и EuO были эпитаксиально выращены на подложке из оксида циркония, стабилизированном оксидом иттрия. В плёнке (Eu_0.97Gd_0.03)O в области энергий фотонов ~1.85эВ КМЭК достигает величины 1 градуса (см. Рис.), что на порядок превышает заявленные значения гигантского квадратичного эффекта Керра в (Ga,Mn)As (PRL 94, 227203, 2005). Обнаруженный в плёнках (Eu,Gd)O и EuO КМЭК большой величины важен не только для детальных оптических исследований магнитной анизотропии, но и может быть использован для создания векторных датчиков слабых магнитных полей.

Диэлектрические материалы с колоссальной диэлектрической проницаемостью (CP>10³) представляют огромный интерес для реализации современных электронных устройств с высокой плотностью накопления энергии. Керамики на основе жидких прекурсоров (PDC) демонстрируют исключительные диэлектрические и полупроводниковые свойства, сохраняющиеся при достаточно высоких температурах (>1000°C). Совместно с коллегами из IIT Madras были получены и охарактеризованы плотные керамики моноклинного Nb₂O₅ и нанокомпозитной керамики из нанокристаллов t-NbO₂ в аморфном оксикарбиде кремния (SiOC), демонстрирующие колоссальную диэлектрическую проницаемость на низких частотах. Показано, что гигантский рост эффективного отклика керамик на низких частотах связан с зарядовой поляризацией на границах зерен.

Показано, что видимый свет и гамма-излучение, одновременно зарегистрированные станцией «Арагац» Национальной Физической Лаборатории им. А.И. Алиханяна (Армения) 1 сентября 2019г., могли быть испущены группой шаровых молний. Параметры этих шаровых молний и расстояния между ними и детектором гамма-излучения оценены в рамках модели шаровой молнии, предложенной М.Л. Шматовым ранее. Эта модель также объясняет параметры других потоков гамма-излучения длительностью порядка 1с и более, возникающих в результате электрической активности атмосферы, и сообщения, соответствующие обсуждаемым в литературе предположениям о высокой радиационной опасности некоторых шаровых молний для людей и электронного оборудования авиационной техники. Согласно модели, основная область шаровой молнии ? ядро, состоящее из электронов и почти полностью ионизованных ионов, осциллирующих относительно друг друга. Амплитуда кинетической энергии электрона, соответствующей осцилляциям, составляет величину порядка 10 кэВ — 10 МэВ. Осцилляции инициируются быстрым выбросом в воздух положительного заряда обычной молнией или другим разрядом. Модель может быть проверена путем дальнейшего сбора и анализа данных по регистрации видимого света и гамма-излучения при грозах, а также в экспериментах с использованием обычных молний (см. рисунок).

Впервые получены светоизлучающие полевые транзисторы (СИ-ПТ) на основе композитных пленок нанокристаллов (НК) неорганических перовскитов (CsPbI3, CsPbBr3) внедренных в матрицу полупроводниковых полимеров и исследованы их оптические и электрические свойства. ПТ на основе пленок MEH-PPV:CsPbBr3(НК) демонстрируют вольт-амперные характеристики (ВАХ) характерные для дырочного транспорта, с малым гистерезисом ВАХ при Т < 200 K. Подвижности дырок при 300 K в ПТ на основе MEH-PPV:CsPbBr3(НК) составили ~ 9 сm²/Vs в режиме насыщения. Температурная зависимость подвижности свидетельствует о прыжковом механизме транспорта. Зависимости интегральной интенсивности фото- и электролюминесценции композитных пленок MEH-PPV:CsPbBr3(НК) и СИ-ПТ на их основе от мощности оптического и электрического возбуждения являются сублинейными и суперлинейными соответственно. Рассмотрены механизмы транспорта, излучательной рекомбинации и переноса энергии в таких структурах. Полученные структуры на основе НК перовскитов в матрице полупроводниковых полимеров совмещают в себе переключающие свойства ПТ с высокой подвижностью носителей и светоизлучающие свойства светодиодов. Такие композитные материалы и СИ-ПТ на их основе совместимы с технологией гибкой печатной органической электроники.

Установлен путь «включения» и стабилизации редокс-активности металлического центра в полимерных комплексах переходных металлов с лигандами саленового типа. Комбинацией методов показано, что металл-центрированная окислительно-восстановительная активность в значительной степени обусловлена уникальными характеристиками стерически затрудненного лиганда, зависит от времени и чувствительна к присутствию координирующих частиц в электролите. На основании обнаруженных фундаментальных закономерностей предложена эффективная технология модификации высокоемких углеродных материалов для электрохимических суперконденсаторов полимерными комплексами кобальта с лигандами саленового типа, позволившая повысить емкость электродов в 2.4 раза по сравнению с немодифицированными углеродными электродами. Удельная емкость полимерного комплекса при плотности нанесения полимера в 1.3 мг/см^-2 составила 170 мАч/г^-1, при сохранении исходной двойнослойной емкости углеродного материала.

Показана ограниченность топологической защищенности характеристик структур лазерного излучения и выявлены механизмы изменения топологического заряда в коаксиальном лазере. Построена теория структур излучения в коаксиальном лазере с насыщающимся поглощением и зеркалами M (левый рисунок), в котором излучение распространяется под малыми углами к оси резонатора z (красные прямые со стрелками). Важнейшей характеристикой структуры служит ее топологический заряд m, равный набегу фазы излучения при обходе резонатора по координате x, деленному на 2π. Заряд m меняется на единицу при пересечении на комплексной плоскости огибающей поля E начала координат фрагментом фазовой кривой, показывающей изменение вещественной Re E и мнимой Im E частей огибающей при указанном обходе (рис. а —в показывают положение фрагмента до, в момент и после пересечения). Обнаружен механизм большего изменения заряда, для чего необходимо возникновение у фазовой кривой сингулярностей — каспов, или точек возврата с последующим формированием или исчезновением замкнутых петель (рис. г —е). Результаты позволяют установить пределы топологической защищенности информации при ее оптической записи и обработке; они также могут найти применения в широком круге задач гидродинамики, сверхпроводимости и электропроводности твердых тел.

Обнаружен эффект магнитозависимости сигнала оптически детектируемого магнитного резонанса (ОДМР) в азотно-вакансионных (NV) центрах окраски в кристалле алмаза при ВЧ возбуждении в слабых магнитных полях, и на его основе предложен новый принцип магнитометрического датчика. Создан прототип датчика, характеризующийся чувствительностью ~3 нТл в объеме кристалла 0.01 мм3, и, в отличие от других NV датчиков, работоспособный в нулевых полях и не использующий СВЧ излучение. Показано, что его чувствительность далее может быть повышена, как минимум, на порядок. На рисунках представлены зависимости сигналов ОДМР от величины внешнего магнитного поля в широком диапазоне частот (слева) и при возбуждении ВЧ полем с частотой 4.5 МГц (справа); на вставке &madsh; сигнал при НЧ модуляции магнитного поля. Возможность позиционирования датчика в долях миллиметра от объекта в сочетании с его высокой чувствительностью, субмиллиметровым пространственным разрешением, отсутствием СВЧ полей и биосовместимостью делают его наиболее перспективным кандидатом для инвазивной магнитоэнцефалографии и других биомедицинских задач.

Разработаны физические и технологические принципы создания мощного радиофотонного тракта для активной фазированной антенной решетки (АФАР) на основе мощных СВЧ полупроводниковых лазеров и фотодетекторов. Разработаны технологии МОС-гидридной эпитаксии гетероструктур лазеров и фотодетекторов, обеспечивающие энергетическую эффективность не менее 50% при генерации мощных лазерных импульсов и преобразовании оптических импульсов в электрические. Разработаны оптоволоконные СВЧ лазерные модули (Рис. 1) и оптоволоконные модули фотодетекторов, работающих в фотовольтарическом режиме (Рис. 2). На их основе создан макет восьми-канального передающего радиофотонного тракта (Рис. 3), обеспечивающий эффективное преобразование лазерных импульсов в СВЧ последовательность биполярных электрических импульсов на полезной нагрузке в виде антенной решетки. Разработанные подходы являются основой для создания фазированных антенных решеток с повышенными характеристиками. Результаты работы переданы в АО Концерн радиостроения ВЕГА для практической реализации.

Современные области применения интегрально-оптических схем, такие как квантовые информационные технологии и прецизионные оптические измерения, выдвигают особенно жесткие требования к их техническим характеристикам, которые не всегда могут быть выполнены с использованием стандартных технологий, совместимых с массовым производством. В лаборатории квантовой электроники были предложены новые аддитивные технологии для улучшения характеристик интегрально-оптических схем на подложках ниобата лития, использующие присущий ниобату лития фоторефрактивный эффект и лазерное окисление нанометровой пленки титана. Была разработана оригинальная экспериментальная оптическая зондовая установка для прецизионной подстройки оптических волноводных элементов.

Малощумяшие гетерофотодиоды на основе InAs, полученные из двойных гетероструктур InAsSbP/InAs на подложках InAs c вырождением электронов в зоне проводимости, имеют красную границу фоточувствительности при 3.6 мкм и максимум чувствительности на длине волны 3.4 мкм (300К) — в области максимума поглощения углеводородов. В отличие от аналогов они имеют крайне малый уровень низкочастотного шума, например, S=10^-25A² см²/Гц (для f=10 Гц и фототока
I=10^-5A), соответственно, высокие значения обнаружительной способности, что позволяет создавать фотометрическую аппаратуру с высоким отношением сигнал/шум.

Фотодиоды могут применяться в низкотемпературных пирометрах, газоанализаторах углеводородов, например, анализаторов метана в шахтах, паров С₂Н₅ОН в выдохе человека, медицинских и научных исследованиях.

Разработка готова к практическому применению, поскольку целый ряд организаций в России, например, Институт Технологий г. Бийска, уже провели работы по разработке анализаторов с использованием гетерофотодиодов на основе InAs. В настоящее время начинается финансирование международного проекта El Peacetolero для разработки анализаторов твердых тел с использованием упомянутых фотодиодов для применения на атомных станциях.

В настоящее время ведется работа по получению российского патента на сенсор жидкостей и твердых тел, имеющий в своем составе разработанные фотодиоды, зарубежных патентов на разработку не имеется.

В многослойных ван-дер-ваальсовых нанотрубках на основе дихалькогенидов переходных металлов, MoS₂ и WS₂, исследуемых с 1992 г., впервые обнаружена фотолюминесценция. Особенностью спектров излучения наноструктур (трубок и пластинок) является полное подавление при низких температурах излучения непрямого экситона. Излучение прямого экситона, верхнего по энергии, может доминировать в нанотрубках вплоть до комнатной температуры. Данный эффект, демонстрируемый на рисунке, определяется, предположительно, структурой экситонных состояний, включающих запрещенные как по моменту (непрямые), так и по спину (темные) экситоны. Нанотрубки MoS₂ являются эффективными оптическими микрорезонаторами, в которых наблюдается усиление излучения на резонансных частотах мод шепчущих галерей. Обнаруженные явления знаменуют появление еще одного оптически активного члена семейства нанотрубок. Доминирование прямозонного излучения и резонаторные свойства открывают перспективы для применения дихалькогенидных нанотрубок в нанофотонике.

Разработана МОС-гидридная технология метаморфных InGaAs гетероструктур и впервые созданы фотоэлектрические преобразователи мощного (до 15 Вт/см2) лазерного излучения (λ=1064 нм) с пиковым кпд более 50%. Метаморфные InGaAs/GaAs фотопреобразователи с расширенной до 1200 нм спектральной фоточувствительностью формируются на основе слоев твердых растворов In(Al)GaAs с содержанием индия 12—26%. Технология роста компенсирующих механические напряжения метаморфных слоев, обеспечила эффективный загиб дислокаций на их границах (вне зависимости от их числа). При этом значения рабочего напряжения в исследованном диапазоне составов «x» полностью соответствуют теоретическим значениям для ширины запрещенной зоны In_xGa_1-xAs материалов. Для достижения предельных значений тока и напряжения фотопреобразователя выполнена многофакторная оптимизация всех активных и функциональных слоев гетероструктуры. Найдены составы широкозонных материалов, позволяющие устранить потенциальные барьеры в зонной диаграмме и реальной структуре. На основе расчета диффузионных длин неосновных носителей заряда и исследования оптических характеристик приборов оптимизированы толщины активной области, найдены граничные значения In(Al)GaAs составов, для которых абсолютные значения диффузионного тока насыщения (и рабочего напряжения) максимальны при сохранении высокой спектральной чувствительности на λ=1064 нм.

Новые кристаллы на основе 2-метилбензимидазола: MBI-фосфит (C₁₆H₂₄N₄O₇P₂, P2₁/c), MBI-фосфат-1 (C₁₆H₂₄N₄O₉P₂, P₁) и MBI-фосфат-2 (C₈H₁₆N₂O₉P₂, P₁), получены методом медленного испарения из смеси спиртового раствора кристаллов MBI и водного раствора фосфористой или фосфорной кислоты (Рис.1a,d). Химический состав и кристаллические структуры определены с помощью элементного анализа, монокристального рентгеноструктурного анализа (XRD) и XRD порошков. В кристаллических решетках этих веществ катионы (MBI + H)⁺, анионы H₂PO₃^— или H2PO4? и молекулы воды, связанные 2D- или 3D-сетью водородных связей, образуют слоистые структуры (Рис.1b,е). Рамановские спектры новых кристаллов подтверждают результаты рентгеноструктурного анализа (Рис.1g).

Диэлектрические измерения MBI-фосфита и MBI-фосфата-2 показали, что повышение температуры кристаллов приводит к увеличению проводимости на несколько порядков (Рис.1c) и появлению низкочастотной дисперсии вещественной и мнимой частей диэлектрической проницаемости, что характерно для протонных супериоников и представляет интерес для водородной энергетики. Увеличение проводимости связано с термоактивацией дефектов, концентрация которых зависит от температуры и времени отжига. При низких температурах MBI-фосфат-2 проявляет свойства, аналогичные квантовым параэлектрикам (Рис.1f). Предполагается существование полярной моды, частота которой может стабилизироваться квантовыми флуктуациями.

Проблема неоднородности внутренней структуры кристаллических материалов электронной техники не решена до сих пор. Реальные кристаллы содержат микронеоднородности с размерами от долей микрона до нескольких микрон: трещины, поры, включения и области, в которых наблюдается слабое изменение плотности по отношению к матрице. Полную картину с изображением этих дефектов можно получить неразрушающим методом фазово-контрастного изображения объектов на просвет в синхротронном излучении (СИ). Однако для определения их параметров, а именно: размеров, формы, плотности распределения, требуется развивать способы решения обратной задачи. Экспериментально исследованы монокристаллы карбида кремния (SiC) большого диаметра (6–8 дюймов) для промышленных применений. Разработана количественная фазово–контрастная технология для диагностики микропор в пространственно-неограниченном пучке СИ от источников с малым эмиттансом. Путем моделирования изображений микропор установлены закономерности их образования и эволюции при кристаллизации SiC.

Предложен и экспериментально подтвержден новый механизм, позволяющий менять проводимость In_хGa_1-хAs нитевидных нанокристаллов (ННК) на несколько порядков с помощью механической деформации. В рассматриваемых III-As ННК при х 0.85 проводимость сильно ограничена из-за фиксации уровня Ферми на поверхности атомами избыточного мышьяка и формирования приповерхностного обедненного слоя. При деформации смещение края зоны проводимости до уровня Ферми и ниже должно вызывать сильный рост проводимости ННК вследствие образования поверхностного проводящего канала. Предсказанный эффект наблюдается особенно ярко на In_0.85Ga_0.15As ННК, проводимость которых вырастает на три порядка при механической деформации ~ 4%. Подобное увеличение при данных уровнях деформации является рекордным, что позволит разработать сверхчувствительные тензорезисторы и сенсоры на основе III-As ННК.

Фемтосекундные лазерные импульсы стали мощным инструментом для возбуждения спиновых волн и управления их параметрами, что является перспективным для перспективных применений спиновых волн в обработке данных. Однако раскрытие всего потенциала сверхбыстрой фотомагноники, требует расширения спектра механизмов и материалов, позволяющих реализовать оптическое возбуждение спиновых волны. Мы использовали фемтосекундную сканирующую микроскопию с временным разрешением, чтобы исследовать распространяющиеся лазерные спиновые волны в тонкой пленке ферромагнитного металлического сплава галфенол (Fe_0.81Ga_0.19). Выраженная магнитная анизотропия таких пленок дает возможность возбуждать спиновые волны посредством сверхбыстрых изменений анизотропии, индуцированных лазерными импульсами. Мы показали, что возбуждаемые таким образом магнитостатические поверхностные волны надежно детектируются на расстояниях, превышающих 10 мкм от пятна возбуждения, что позволяет включить эпитаксиальные пленки галфенола в ограниченное семейство материалов, подходящих для магнонных устройств. Кроме того, сверхбыстрые и локализованные лазерные изменения магнитной анизотропии позволяют осуществлять локально изменения дисперсии спиновых волн, открывая тем самым путь для реализации сверхбыстрых оптически реконфигурируемых магнонных элементов.

Одним из путей дальнейшей миниатюризации элементов микроэлектроники является использование транзисторов с пленками двумерных материалов в качестве токонесущего канала. Однако предыдущие попытки реализации такого подхода не привели к желаемым результатам из-за большой плотности дефектов на интерфейсе 2D-полупроводник(MoS₂) — аморфный диэлектрик. В настоящей работе показана возможность создания перспективных транзисторных структур на основе гетеросистемы MoS₂/CaF₂ на Si(111). Изготовленные образцы полевых транзисторов демонстрировали первоклассные характеристики (крутизна ~ 90мВ/дек, отношение токов включения/выключения до 10⁷) [1] и достаточную надежность [2]. Это достигнуто за счет ультратонкого слоя кристаллического CaF₂ с поверхностью (111), обладающей минимумом свободной энергии (и потому стабильной) и ван-дер-ваальсовым типом связи на границе с 2D-полупроводником, что позволяет выращивать бездефектные слои MoS₂ даже при несоответствии параметров решетки полупроводника и флюорита.

Впервые предложено физическое обоснование совмещения диагностики томсоновского рассеяния и лазерно-индуцированной флуоресценции для анализа режимов работы дивертора и исследования происходящих в нем физических процессов. В режиме отрыва от диверторных пластин потоки из основной плазмы должны замедляться от быстрого свободного течения до медленной диффузии; охлаждаться до ~ 1 эВ и, наконец, рекомбинировать. Эффективная объемная рекомбинация возможна только при температурах плазмы ниже ~ 1 эВ. Без рекомбинации ионы водорода, попадающие на пластину дивертора, будут передавать пластинам в виде тепла ~ 13,6 эВ энергии рекомбинации, что слишком велико для обеспечения разумного теплового баланса на пластинах дивертора. Все три явления — замедление, охлаждение и рекомбинация необходимы для эффективного снижения тепловой нагрузки на диверторные пластины. В случае недостаточного замедления входящие потоки достигнут пластин дивертора, недостаточно охлажденными и кинетическая энергия потока на стенке будет слишком высокой. Поэтому, измеряя одновременно Te, ne, Ti, ni и nHe / H / D / T, можно рассчитать следующие важные параметры дивертора SOL:

• Ионизационный баланс: скорости ионизации и рекомбинации (требуется Te, ne, Ti, ni и nHe / H / D / T);
• Интенсивность излучения (требуется Te, ne, ni и nHe / H / D / T);
• Сила трения потока плазмы из-за столкновений с нейтралами (требуется Ti, ni, nHe / H / D / T и TD);
• Давление поступающего плазменного потока (требуется Te, ne, Ti, ni).

Продемонстрирован электрический контроль обменной связи в структуре, состоящей из ферромагнитного слоя Co и полупроводниковой квантовой ямы CdTe, разделенной тонким (Cd,Mg)Te-барьером. Электрическое поле поперек плоскости структуры изменяет величину обменного взаимодействия ферромагнетика и дырок на акцепторах в полупроводниковой квантовой яме. Взаимодействие определяется изгибом зон в яме и максимально в случае плоских зон. Эффект не связан со сдвигом центра тяжести волновых функций, поэтому не может быть объяснен обычной моделью обменного взаимодействия. Он объясняется в рамках механизма эффективного дальнодействующего обмена, осуществляемого через эллиптически поляризованные фононы.

Данный результат открывает принципиальную возможность интеграции электрически управляемого магнетизма в полупроводниковую электронику, практически без тепловыделения.

На основе разработанной технологии устойчивых гидрозолей частиц детонационных наноалмазов (DND) со средним размером менее 10 нми метода модификации их поверхности получен новый контрастный агент для ядерной магнитной томографии. Экспериментально показано, что ион гадолиния (GdIII), химически связанный с поверхностью 4 нм алмазной частицы, уменьшает время спин-решеточной и спин-спиновой релаксации протонов воды существенно сильнее, по сравнению с известными в настоящее времямаркерами. Продемонстрировано резкое увеличение сигнала ядерного магнитного резонанса при использовании комплекса DND- (GdIII), что позволяет говорить о таком комплексе как новом контрастном агенте для ядерной магнитной томографии.

Предложен оптомеханический аналог эффекта Керкера, заключающийся в направленном неупругом рассеянии света на дрожащих наночастицах, см. рис. (а).

Построена теория взаимодействия света и дрожащих в пространстве тел с резонансной диэлектрической проницаемостью и показано, что механическое движение тела приводит к конверсии его электрической дипольной поляризации в магнитную дипольную и электрическую квадрупольную, см. рис. (б). В результате интерференции электро- и магнитно-дипольного излучения диаграмма направленности рассеянного света оказывается сильно асимметричной, рис. (в). Это обобщает известный эффект Керкера на случай упругого мультипольного рассеяния света. Также рассмотрен оптомеханический аналог спинового эффекта Холла, проявляющийся в зависимости направления рассеяния света на дрожащем объекте от поляризации света. Полученные результаты применимы ко множеству физических систем, от квантовых точек до двумерных материалов, холодных атомов и сверхпроводящих кубитов. Предложено применение эффектов для реализации однонаправленного оптомеханического взаимодействия и невзаимного пропускания света на наномасштабах.

Введен в эксплуатацию российский сферический токамак Глобус-М2 с увеличенным магнитным полем (Рис.1). При росте магнитного поля с 0.4 до 0.7 Тл и тока плазмы с 0.2 до 0.33 МА при неизменном значении мощности дополнительного нагрева и запаса устойчивости зарегистрировано существенное (до 3-х раз) повышение температуры и энергозапаса плазмы. Зафиксировано двукратное увеличение времени удержания энергии плазмы. Это подтверждает скейлинг, полученный ранее на сферических токамаках NSTX (USA), MAST(UK) и Глобус-М (Россия) и распространяет его на область более высоких магнитных полей (Рис.2). Впервые на сферическом токамаке удалось заместить часть индукционного тока разряда током, увлекаемым ВЧ волнами промежуточного диапазона частот (2.45 ГГц), замедленными в тороидальном направлении (Рис.3).

Основная область использования сильноточного вакуумного дугового разряда (ВДР) — вакуумная коммутационная аппаратура (ВКА), где требуется коммутировать десятки килоампер при напря-жении в десятки киловольт. Главная проблема ВКА — контрагирование дуги при увеличении тока, что разрушает электроды и делает коммутацию невозможной. Нами выяснены причины контракции и найдены способы её предотвращения. Выяснены механизмы стабилизации дуги и увеличения предельного коммутируемого тока (ПКТ) при воздействии аксиальным магнитным полем (рис. 1,а).

Найдена форма магнитного поля, обеспечивающая оптимальное распределение тока на электродах, что позволило сформулировать требования к конструкции электродов, т. к. в ВКА магнитные поля генерируются коммутируемым током. Оптимизация распределения тока на электродах (рис. 1,б) позволила увеличить ПКТ более чем в полтора раза. Уровень выполненных исследований превышает мировой. Результаты исследований внедрены в Промышленной Группе Таврида Электрик при разработке двух новых поколений ВКА.

Предложены и экспериментально апробированы методы многочастотного ВЧ и СВЧ возбуждения оптически детектируемого магнитного резонанса в азотно-вакансионных центрах окраски в кристалле алмаза (рис.1).Показано, что их применение к схеме микроразмерного магнитометрического векторного датчика позволяет снизить до минимума количество «слепых» угловых зон, ограничивающих работоспособность датчика в слабых магнитных полях, одновременно втрое повысив его чувствительность как к переменным, так и к постоянным полям. Экспериментально в полосе 0÷100 Гц продемонстрирована чувствительность 1.5 нТл/√Гц при объеме сенсора всего 0.01 мм3. Ранее такие характеристики были реализованы только в импульсных схемах, работоспособных исключительно в узкой выделенной полосе частот, и не способных измерять постоянные и медленно меняющиеся поля. Из магнитометрических датчиков, основанных на других принципах, сходные размеры имеют только датчики на эффекте Холла, характеризующиеся на два-три порядка худшей (сотни и тысячи нТл) разрешающей способностью, и дрейфами порядка десятков мкТл.

В слабых и нулевых полях обнаружен и исследован ряд оптически детектируемых спиновых резо-нансов с уникальными свойствами, в частности, рекордно узкие (~7 кГц) ВЧ резонансы в ядерной энергетической структуре входящего в состав NV центра атома 14N.

Построена теория сверхбыстрого переключения намагниченности в ферримагнитных металлических гетероструктурах, позволяющая описать основные особенности переключения намагниченности фемтосекундным лазерным импульсом, обнаруженного недавно экспериментально. Показано, что решающую роль в данном процессе играет обменное рассеяние свободных электронов на магнитных подсистемах ферримагнетика, происходящее в лазерно-индуцированном сильно-неравновесном состоянии. Разработанная теория не только объясняет экспериментальные результаты, но и предсказывает возможность сверхбыстрого переключения намагниченности за счет нагрева пикосекундным импульсом тока, пропускаемым через ферримагнитную структуру, помещенную в точечный металлический контакт. Реализация такого сценария позволит обойти существующую для оптических импульсов проблему миниатюризации и позволит создать управляемые импульсами тока тригерры нанометровых размеров с пикосекундыми временами переключения для разработки новых элементов спинтроники.

Разработан позиционно-чувствительный датчик нового типа (Мультискан), основанный на свой-ствах вольтамперной характеристики встречновключенных фотодиодов. В отличие от известных сенсоров латерального типа и ПЗС линеек Мультискан работает в режиме самосканирования, в результате чего величина выходного напряжения автоматически устанавливается таким, что суммарное значение фототока на выходе датчика равно нулю, т.е. соответствует положению медианы оптического сигнала (U0=Uм). Выходной сигнал датчика формируется в макромасштабе аргумента, т.е. приложенного напряжения, что позволило получить рекордную для ПЧД разрешающую способность (до 2.5∙10-6 от поля зрения датчика).

Базовая модификация датчика Мультискан-Т внедрена в производство на ЦНИИ «Электрон», ему присвоена литера О1, и прибор официально «принят на вооружение» для прицелов нового поколения танковой техники. В настоящее время ведутся работы по решению проблем импортзамещения в области элементной компонентной базы для систем целеуказания.

Впервые в рамках единой многопереходной полупроводниковой гетероструктуры интегрированы функции эффективного мощного лазерного излучателя и быстрого сильноточного ключа. Продемонстрированы пиковые мощности для многомодового одиночного импульсного излучателя — 50 Вт и микролинейки — 210Вт. Впервые с помощью приборов в интегральном исполнении реализована генерация управляемой последовательности лазерных импульсов с параметрами, сопоставимыми с лазерами с внешними драйверами (длительность 17 нс, пиковая мощность 3.2 Вт, частота до 8 МГц. для многомодовых излучателей; пиковая мощность 1.6 Вт, длительность 100пс, частота до 0.5 МГц.для одномодовых импульсных излучателей).

Источники будут использоваться для решения широкого спектра практических задач, связанных с мониторингом и дальнометрией, а также в специальных приложениях, требующих минимальные массогабариты и максимальную устойчивость к воздействию динамических перегрузок и специальных факторов.

В гибридной структуре ферромагнетик/ полупроводниковая квантовая яма обнаружено новое дальнодействующее обменное взаимодействие. В отличие от классических механизмов обменного взаимодействия, оно не связано с перекрытием волновых функций носителей в квантовой яме и в ферромагнетике. Предположительно, взаимодействие осуществляется с помощью эллиптически поляризованных акустических колебаний кристаллической решётки.

Обнаруженное явление обеспечивает эффективное спиновое взаимодействие подсистем ферро-магнетика и квантовой ямы и позволяет управлять намагниченностью полупроводника, сохраняя его оптические и транспортные свойства. Дальнодействующее обменное взаимодействие открывает путь к успешной интеграции магнетизма в полупроводниковую электронику, а впоследствии и созданию всего компьютера на одном полупроводниковом чипе.

Впервые в России разработаны и изготовлены экспериментальные образцы интегрально-оптических СВЧ–модуляторов на основе волноводов на подложках ниобата лития. Экспериментальные образцы модуляторов прошли испытания в АО «Центр ВОСПИ», показали полное соответствие современным требованиям систем радиофотоники, оптических телекоммуникаций, квантовой криптографии и высокоточных волоконно-оптических датчиков. Технические характеристики модуляторов, полоса частот 18 ГГц, оптические потери менее 4 дБ, управляющее напряжение менее 5 В, не уступают лучшим зарубежным аналогам.

Разработаны теоретические основы нового типа акустооптических логических элементов на основе полупроводниковых квантовых гетероструктур со сверхрешётками и осуществлено экспериментальное подтверждение теории.

Предложены конструкции оптически переключаемого акустического диода и усилителя звука, использующих эффект возрастания фотоупругого взаимодействия в 10⁵ раз на частоте экситонного резонанса в полупроводниковых квантовых ямах. Основа предложенных элементов — гетероструктура со встроенной сверхрешёткой из квантовых ям (Рис. а). Компьютерное моделирование в соответствии с разработанной теорией показало, что сверхрешётка будет усиливать звук, распространяющийся поперёк квантовых ям в прямом направлении или в обратном, в зависимости от значения длины волны падающего на нее оптического излучения (Рис. б). Установлено, что гетероструктура, состоящая из чередующихся узких и широких квантовых ям, может работать как перестраиваемый одномодовый акустический лазер.

Создана не имеющая аналогов в России технология роста эпитаксиального монослойного графена большой площади методом сублимации в аргоне Si-грани SiC. Структурные, электронные и транспортные свойства выращенного графена сравнимы с параметрами лучших мировых образцов, изготовленных сублимацией, что открывает возможность его использования для создания электронных приборов нового поколения. На основе системы графен/SiC изготовлен прототип твердотельного газового сенсора с рекордной чувствительностью к концентрации молекул NO₂: не хуже 2 ppb (частиц на миллиард). Такая чувствительность сенсора достаточна для мониторинга окружающей среды. Тестирование прототипов биосенсоров, созданных на основе системы графен/SiC, указывает также на перспективность их использования в медицине и биологии.

Разработан принципиально новый метод исследования фотодинамического воздействия (ФДВ) на клетки и клеточные структуры, основанный на технике цифровой голографической микроскопии (ЦГМ). Исследованы изменения морфологических характеристик клеток HeLa и стволовых клеток при ФДВ с коммерческим фотосенсибилизатором (ФС) Радахлорин. Осуществлены прецизионные измерения фазового сдвига волнового фронта, прошедшего через клетки, впервые зарегистрированы изменения формы и объема клеток при ФДВ и исследованы механизмы их гибели. Предложен и апробирован принципиально новый метод экспресс-диагностики онкологических заболеваний на основе анализа биопсийных образцов с помощью ЦГМ. На рисунке представлены полученные пространственные распределения (a) интегрального показателя преломления и (b) толщины обезвоженных клеток эпителия ротовой полости человека.

Исследования поддержаны грантом РНФ и проводились в сотрудничестве с учеными Института цитологии РАН и Института онкологии им. Н.Н. Петрова.

Впервые изучено влияние гидростатического давления до 10 кбар на низкотемпературную проводимость и сверхпроводящие характеристики системы полупроводниковых твердых растворов (Pb_zSn_1-z)_0.95In_0.05Te (z = 0.05, 0.3 и 0.45). Установлено, что изменение критической температуры и критического магнитного поля с давлением, определяется содержанием свинца z в твердом растворе. В образце с z = 0.45 обнаружен переход из диэлектрического состояния в сверхпроводящее, индуцированный давлением при Р ≥ 3,5 кбар. Предложена теоретическая модель, позволяющая описать уменьшение с ростом давления энергии активации проводимости зонных дырок на диэлектрической стороне перехода и возникновение индуцированного давлением сверхпроводящего состояния материала при достижении Ea величины сверхпроводящей щели.

Предложены, разработаны, исследованы и запатентованы два новых кремниевых прибора силовой полупроводниковой импульсной электроники:

1. Наносекундный диодный размыкатель тока позволяет за 1,5-2 нс размыкать ток с плотностью 5-10 кА/см2. Предназначен для создания сверхмощных генераторов наносекундных импульсов.
2. Диодный ударно-ионизационный обостритель импульсов тока, формирующий мощный высоковольтный импульс, который нарастает за время <100 пс и имеет высокую стабильность повторения импульсов.

Предназначен для создания излучателей мощных направленных электромагнитных импульсов.

Впервые построена полная теория распространения объемных нелинейных волн деформации&nbs;pmdash; солитонов в трех базовых элементах: стержне, пластине и оболочке. Предложен новый метод определения модулей упругости третьего порядка по измерениям параметров солитонов деформации в трех базовых конструкционных элементах. Предложен метод определения характеристик солитонов деформации в непрозрачных материалах по параметрам наблюдаемых солитонов в приклеенных слоях из прозрачного материала. Экспериментально доказано существование солитонов в нанокомпозитах на основе полистирола (ПС) с нановключениями SiO₂, предсказанное теорией. Разница в скоростях солитона в чистом ПС и в нанокомпозите составила 30 м/сек.

Разработана технология синтеза многофункциональных гибридных частиц типа «ядро-оболочка», представляющих собой сферические мезопористые частицы кремнезема с девиацией размеров меньше 4 %, заполненные оксидами гадолиния и европия и покрытые оболочкой мезопористого кремнезема. Частицы размером 50-500 нм легко диспергируются в воде, обладают большой удельной поверхностью (300 м² г^-1) и объемом пор (0.3 см³ г^-1), являются ярким твердотельным люминофором, стабильным в водных средах. Частицы перспективны для терапии (гадолиниевая нейтрон-захватная терапия и наноконтейнер для адресной доставки химиотерапевтических препаратов) и диагностики (люминесцентный маркер и магнитно-резонансная томография) онкологических заболеваний.

Тороидальные альфвеновские возмущения (ТАЕ) возникают в плазме токамака при наличии в нём быстрых частиц со скоростями, превышающими альфвеновскую. Они могут стать препятствием на пути создания компактного термоядерного источника нейтронов (ТИН-СТ) на базе сферического токамака, основанного на инжекции пучка быстрых атомов в плазму-мишень с нетермоядерными параметрами. Авторами исследованы условия возникновения ТАЕ в сферическом токамаке, их структура и зависимость от изотопного состава плазмы. Впервые зарегистрированы потери потока нейтронов, вызываемые одиночными ТАЕ. Сделан благоприятный прогноз по уменьшению потерь в ТИН-СТ при увеличении магнитного поля и тока плазмы.

Впервые выполнены измерения концентрации CO₂, выделяемого через кожу у крыс в ответ на термическое раздражение, при помощи масс-спектрометра с мембранным интерфейсом. Был доказан антиноцицептивный эффект на болевой стимул во время интраперитональной пропофол-лидокаиновой анестезии, то есть лидокаин оказывает прямое действие на центральную нервную систему и индуцирует антиноцицептивный. Впервые доказана корреляция стресс-реакции на хирургическую травму с динамикой изменения концентрации выделенного легочного и кожного CO₂ у людей во время нейрохирургических операций.

Проведено теоретическое исследование поверхностных и краевых состояний в трехмерных и двумерных топологических изоляторах на основе соединений теллуридов ртути, висмута и сурьмы. Развита теория тонкой структуры дираковских состояний в квантовых ямах HgTe/CdHgTe, которая предсказывает расщепление дираковских конусов в толще квантовоий ямы (теория позволила объяснить эксперименты по магнитотранспорту) и сильную анизотропию эффекта Зеемана для электронов, распространяющихся по краевым состояниям.

Разработана микроскопическая теория поверхностных и краевых фотогальванических эффектов в топологических изоляторах на основе HgTe, Bi₂Te₃ и Sb₂Te₃. Теория позволила описать эксперименты по фототокам, индуцированным терагерцовым излучением в этих системах, и определить параметры энергетического спектра граничных состояний.

Подведены промежуточные итоги многолетних исследований в рамках российско-американского эксперимента «Конус-Винд». По данным аппаратуры ФТИ им. А.Ф. Иоффе «Конус» изучены временные и спектральные характеристики 270 коротких космических гамма-всплесков. Показано, что для большинства всплесков энергетические спектры описываются степенным законом с экспоненциальным обрезанием. Исследовано появление во временных профилях некоторых всплесков дополнительной компоненты, получившей название «продленное излучение». Обсуждается возможный избыток особо ярких событий, с интегральным потоком >10-5  эрг/см² . Полученные данные важны для построения моделей «центральной машины» коротких гамма-всплесков — источников экстремальных потоков электромагнитного излучения и сопутствующего им неэлектромагнитного излучения — гравитационных волн и высокоэнергетических нейтрино.

Продемонстрирована эффективная генерация терагерцового излучения в полупроводниковых нитевидных нанокристаллах на основе GaAs при возбуждении сверхкороткими оптическими импульсами. Генерация обусловлена быстрым движением фотовозбужденных носителей заряда в нанопроводах в поверхностном и контактном полях, а также амбиполярной диффузией фотовозбужденных носителей заряда. Эффективность генерации определяется усилением электромагнитного поля за счет резонансного возбуждения вытекающих волновых мод (резонансы Ми) в нанокристалле. При оптимальной геометрии массива полупроводниковых нитевидных нанокристаллов эффективность генерации выше, чем в объемном полупроводнике p-InAs, являющимся сегодня наиболее эффективным когерентным терагерцовым эмиттером.

Предложена и развита модель, объясняющая особенности низкотемпературных оптических спектров класса немагнитных полупроводниковых коллоидных нанокристаллов. В основе модели - взаимодействие носителей заряда с магнитными моментами оборванных связей на поверхности нанокристаллов. Предсказаны эффективный механизм рекомбинации темного (запрещенного по спину) экситона и возникновение макроскопического магнитного момента в немагнитных нанокристаллах в результате динамической поляризации спинов оборванных связей. Динамическая поляризация происходит при температурах ниже критической в процессе оптической накачки и радиационной рекомбинации темного экситона и приводит к формированию поверхностного магнитного полярона.

В настоящее время существует важная практическая проблема подавления поперечных оптических мод высокого порядка и улучшения качества пучка в мощных полупроводниковых лазерах с широкой апертурой. Для её решения предложена оригинальная конструкция лазерного волновода, основанная на связанных резонансных волноводах ?CoupledLargeOpticalCavity?. Конструкция использует эффект оптического туннелирования и позволяет селективно исключать из лазерной генерации вертикальные моды высокого порядка широкого активного волновода за счёт их резонансного туннелирования в оптически связанные пассивные волноводы (рис.). Широкий волновод, многомодовый в стандартных торцевых полупроводниковых лазерах, в CLOCлазерах эффективно поддерживает генерацию только фундаментальной моды, имеющую уменьшенную расходимость, высокое качество, высокую температурную и токовую стабильность. Разработанная конструкция волновода позволяет увеличивать апертуру излучения, повышать оптическую мощности и яркость торцевых полупроводниковых лазеров, работающих в любых спектральных диапазонах.

Исследовано образование бозе-эйнштейновского конденсата экситонных поляритонов в дискообразном вертикальном микрорезонаторе из GaAs/AlGaAs. Излучение конденсата обладает крупномасштабной пространственной когерентностью Структурой конденсата можно управлять оптически, меняя пространственное распределение и концентрацию фотовозбужденных электрон-дырочных пар. При нерезонансном возбуждении сфокусированным лазерным лучом образуется конденсат в форме концентрических колец (рис. a). Нарушение аксиальной симметрии при смещении пятна возбуждения из центра диска на величину δ приводит к трансформации колец в совокупность ярких лепестков, сформированную квантовыми состояниями с ненулевым угловым моментом (рис. b—d). Развита теория бозе-газа с контактным отталкивающим взаимодействием, учитывающая неравновесную заселенность экситонных и поляритонных состояний, которая хорошо описывает эксперимент.

Предсказаны и теоретически исследованы эффекты электронного храповика и фотогальванические эффекты в системах на основе графена. Показано, что возбуждение графеновых структур электромагнитным полем приводит к фотоэдс, зависящей от поляризации и частоты света. Теоретически изучены механизмы генерации фототоков: эффект магнитного электронного храповика, краевой киральный фотогальванический эффект, оптическая инжекция чисто долинных токов, эффект увлечения электронов фотонами, а также эффекты генерации второй гармоники. Предсказанные эффекты обнаружены в совместных работах с экспериментаторами ведущих мировых научных центров. Исследования показывают перспективность создания устройств нелинейной электроники и оптоэлектроники на основе двумерных кристаллов — самых тонких систем, известных в природе.

Разработана высокочувствительная томсоновская диагностика горячей плазмы. Диагностика основана на многопроходном (до 20 проходов) и многоимпульсном (до 50 импульсов) лазерном зондировании с частотой 10 20 кГц в течение одного импульса накачки. За счет многопроходности увеличивается чувствительность, за счет многоимпульсности — временное разрешение. Диагностика успешно применена сотрудниками ФТИ на ведущих европейских токамаках ASDEX и TEXTOR и на токамаке UNICAMP в Бразилии. С ее помощью удалось детально изучить механизмы нагрева, переноса и перезамыкания магнитных силовых линий в плазме, ограничивающие рост параметров плазмы на всех токамаках, в том числе, на ИТЭРе.

Нейтронные звезды — экстремальные космические объекты с плотностью вещества выше ядерной. Наблюдения горячих быстро вращающихся нейтронных звёзд являются загадкой для современной астрофизики, предсказывающей резкое замедление таких звезд из-за гравитационно–волновой неустойчивости. Авторами предложена теория подавления этой неустойчивости при определенных «резонансных»температурах из-за взаимодействия сверхтекучих и нормальных мод колебаний. Предложенная теория объясняет результаты наблюдений быстро вращающихся нейтронных звёзд, предсказывает существование нового класса нейтронных звёзд и предлагает новый метод исследования сверхплотного вещества нейтронных звёзд.

Тонкие молекулярные пленки фталоцианина меди (CuPc), являющиеся перспективными для электроники и оптоэлектроники, исследовались методом спектроскопии анизотропного отражения света. Показано, что данная методика позволяет устанавливать направления осей анизотропии молекулярных пленок, определяемых их внутренней структурой. Впервые установлено, что кристаллическая подложка GaAs(100) оказывает ориентирующее действие на молекулы CuPc в формируемых пленках. Данный эффект заключается в том, что для толщин <50нм, направление осей анизотропии пленки совпадает с кристаллографическими направлениями [110] и [1-10] поверхности подложки. Установлено, что наблюдаемый эффект обусловлен взаимодействием электрического поля дискретных зарядов на поверхности GaAs c электронным зарядом, распределенным по молекуле CuPc. Обнаруженный эффект может быть использован для создания методик формирования пленок металлофталоцианинов с заданной структурой

Методами ИК спектроскопии, рассеяния света и нейтронов исследованы фазовые превращения и низкочастотная динамика биополимеров (пептиды, лизоцим и ДНК) ? денатурация и конформационная динамика, при которых меняется или исчезает их биологическая активность. Показано, что при денатурации, макромолекулы лизоцима собираются в агрегаты, образуя гелеподобную структуру, а при плавлении и денатурации ДНК, ее поведение определяется стекинг-взаимодействием. Результаты имеют важное значение для медицины.

Впервые предложены, реализованы и исследованы оптические решетки экситонов в системах квантовых ям InGaN с барьерами GaN. Впервые удалось наблюдать формирование суперизлучательной экситон-поляритонной моды при комнатной температуре. Для увеличения резонансного оптического отклика системы был разработан и реализован новый дизайн структур с двумя квантовыми ямами в периодической сверхячейке. Для структур с 60 периодами получено резонансное отражение величиной 40% при комнатной температуре.

Разработаны способ и устройство пирометрического контроля температуры на торце оптоволоконного (ОВ) выхода мощных лазеров. Сенсор устройства создан на основе спектрально-селективного А3В5 фотодиода. Устройство позволяет контролировать заданную температуру ОВ торца лазера в интервале 600-1100 0С с быстродействием-1мс. Устройство входит в состав медицинского лазера типа ЛАТУС-К. Контроль и точное управление температурой лазерного скальпеля расширяет возможности хирурга и повышает безопасность пациента.

Гетероструктуры на основе узкозонных твердых растворов полупроводников A3B5 (InAs, InSb, InAsSb) широко используются для создания светоизлучающих приборов среднего ИК-диапазона (2-5 мкм), актуального для задач газового анализа, экологического мониторинга и медицинской диагностики. Однако практическое применение таких приборов, особенно при повышенных температурах (T>50-150°C) лимитируется низкой оптической мощностью. Показано, что оптическая мощность светодиодов на основе узкозонных полупроводников экспоненциально уменьшается на 1.5-2 порядка с возрастанием температуры за счет увеличения роли безызлучательной оже-рекомбинации. Нами был предложен новый подход для увеличения квантовой эффективности и интенсивности излучения с использованием гетероструктур с высоким потенциальным барьером в зоне проводимости и узкозонной активной областью. Впервые была обнаружена и исследована суперлинейная электролюминесценция и получено возрастание оптической мощности от тока накачки степенным образом в диапазоне температур 20-200°C в светодиодных гетероструктурах II типа n-GaSb/n-InGaAsSb/p-AlGaAsSb с высоким потенциальным барьером ΔEC=0.79 эВ, превышающим в 2.8 раза ширину запрещенной зоны n-InGaAsSb (Eg=0.284 эВ при T=300 К). Показано, что наблюдаемый эффект обусловлен вкладом в излучательную рекомбинацию добавочных электронно-дырочных пар, созданных за счет ударной ионизации горячими электронами, разогретыми на скачке потенциала на n/n гетерогранице. С ростом температуры уменьшается ширина запрещенной зоны узкозонного слоя, а также пороговая энергия ионизации. При этом возрастает коэффициент ионизации электронов. Это приводит к суперлинейной зависимости оптической мощности от тока накачки в диапазоне 20-120°С и ее линейному росту при 120°С>T>200°С. Обнаруженный эффект «преобразования» ударной ионизации в излучательную рекомбинацию может быть использован для повышения квантовой эффективности и мощности излучения и других полупроводниковых структур, в том числе, с глубокими квантовыми ямами.

Акусто-электронным бесконтактным методом в структуре p-GeSi/Ge/GeSi определена высокочастотная проводимость в квантующих магнитных полях до 18Т при низких температурах. Установлены параметры дырочного двумерного газа. Прыжковая проводимость в минимумах осцилляций проводимости описывается 2-х узельной моделью. При Т=0.3К в наклонном магнитном поле обнаружено увеличение проводимости в минимумах осцилляций при росте продольной составляющей поля, объясняемое уменьшением g-фактора и увеличением циклотронной эффективной массы дырок.

Для находящихся в оптическом контакте фотовольтаических p-n переходов (субэлементов), входящих в состав монолитной многопереходной гетероструктуры, исследован эффект люминесцентной связи, определяемый появлением наведенного тока в узкозонном субэлементе вследствие поглощения люминесценции из широкозонного субэлемента. Разработана физическая модель эффекта и определены закономерности процессов самопоглощения, переизлучения, одноциклирования и рециклирования электролюминесцентного излучения, установлены факторы, влияющие на результативность связи, и предложены способы ее увеличения и использования для диагностики многопереходных СЭ и составляющих их отдельных субэлементов. Предложен метод экспериментального исследования эффекта люминесцентной связи в многопереходных GaInP/GaAs/Ge СЭ при преобразовании концентрированного солнечного излучения. Проведена оценка величины результативности люминесцентной связи внутри InGaP-GaAs и GaAs-Ge оптопар, и показано, что излучательная рекомбинация в GaInP может повышать фототок GaAs субэлемента на 5-9%, а в переизлучение из GaAs ? обеспечивать прирост фототока Ge субэлемента на 50-55%.

Теоретически обоснован и экспериментально апробирован новый подход к исследованию биомакромолекул, заключающийся в наблюдении поляризованной флуоресценции встроенных в них молекул-хромофоров при двухфотонном двухцветном возбуждении фемтосекундными импульсами лазера. Разработанный подход открывает возможность нового метода анализа структуры и динамики белков с целью диагностики социально значимых заболеваний и разработки новых лекарственных средств. Продемонстрировано избирательное возбуждение колебательных мод в молекулах-хромофорах, что открывает новую возможность лазерного управления химическими реакциями в биомолекулах

На основе проведенных исследований люминесценции с длиной волны ~1.5 мкм ионов Er³⁺ и дислокаций в кремнии разработаны технологии изготовления светодиодов для кремниевой оптоэлектроники с параметрами, соответствующими мировому уровню. Эти технологии совместимы с современной технологией больших интегральных схем на кремнии, что позволяет начать работы по созданию кремниевой интегральной оптоэлектроники. Также обнаружены и идентифицированы несколько новых структурных дефектов и люминесцентных центров.

На компактных токамаках Глобус–М и ТУМАН–3М экспериментально и теоретически исследована проблема удержания энергичных ионов, инжектированных в плазму. Идентифицированы механизмы потерь ионов. Установлена основная причина потерь — недостаточные величины магнитного поля и тока плазмы. Обнаружена сильная нелинейная зависимость нейтронного потока из плазмы от магнитного поля, обусловленная ростом плотности энергичных ионов. Полученные результаты явились основой для выбора параметров (магнитного поля и плазменного тока) в сооружаемом сферическом токамаке Глобус–М2. Эти параметры обеспечат возможности увеличения потока нейтронов на 2 порядка и разработки технологической основы термоядерного источника нейтронов.

Выполнены теоретические исследования эффектов, возникающих при взаимодействии электронов, принадлежащих подоболочкам, различающимся орбитальными квантовыми числами. Показано, что межоболочечное взаимодействие ведёт к существенным, наблюдаемым экспериментально, особенностям в сечениях фотоионизации и неупругого рассеяния быстрых электронов на исследованных объектах вплоть до полной потери индивидуальных черт, присущих фотоионизации малоэлектронных подоболочек.

Измерен спектр поглощения одиночной квантовой точки GaAs, находящейся в изолированной квантовой нити AlGaAs. Определен энергетический спектр экситона, его волновые функции и интенсивности переходов, т.е. полностью описано состояние экситона в точке. Обнаружено аномальное уширение линии излучения экситона в квантовой точке, объясненное динамическим уширением вследствие электрической перезарядки окружающих точку дефектов. Показано, что излучение из квантовой точки в кристаллографическом направлении (111) линейно поляризовано в направлении (110), единственной причиной чего может быть анизотропия квантовой точки, вызванная неаксиальным расположением ее внутри нити

Обнаружен набор линий однородных спин–волновых возбуждений (ферромагнитных резонансов), который оказался универсальным для целого ряда объектов: легированных Ce и Bi мультиферроиков Eu(Ce)Mn₂O₅ и Tb(B)iMnO₃, нелегированных мультиферроиков RMn₂O₅ (R = Eu, Tb, Er, Bi), а также антиферромагнитного купрата Eu₂CuO₄. Ферромагнитные резонансы соответствуют отдельным слоям естественных 1D сверхрешетoк, формируемых за счет процессов фазового расслоения и самоорганизации носителей заряда. Характеристики резонансов позволили судить о свойствах слоев сверхрешеток, существующих при температурах T < 30– 40 K. В частности были обнаружены скачки электрической поляризации и спина на границах сверхрешеток, являющихся переходными слоями между объемными доменами. Подобие наблюдаемой картины в широком классе изученных кристаллов указывает на то, что в сверхрешетках возникает топологический порядок, аналогичный широко изучаемому топологическому изолятору.

Представлены результаты теоретического анализа резонаторов квантовых каскадных лазеров. В рамках единого подхода получена структура мод и спектр потерь электромагнитного излучения на свободных носителях. Показано, что важнейшую роль в формировании мод и спектра потерь играет присущая каскадным лазерам слоистая структура и, как ее следствие, — анизотропия спектра носителей заряда. Продемонстрировано, что в ближнем ИК диапазоне наименьшие потери имеют обычные моды полого волновода, обладающие частотой отсечки. В среднем и дальнем ИК диапазонах — поверхностные плазмон-поляритонные моды. А в терагерцевой области наименьшие потери присущи ленгмюровским модам, представляющим собой плазмонные колебания носителей заряда волноводного слоя, модифицированные его слоистой структурой. Эти результаты важны не только с фундаментальной точки зрения, но и с прикладной, создавая основу для оптимизации структуры каскадных лазеров.

Разработан многозонный метод эффективной массы для рассмотрения электронных состояний в сферических нанокристаллах кремния в матрице SiO₂, позволяющий рассчитывать оптические и многофононные переходы из нижних уровней размерного квантования. С помощью модели, построенной на основе метода сильной связи и позволяющей рассчитывать оптические свойства нанокристаллов с размерами менее 2 нм, к которым не применимо приближение эффективной массы, установлено, что в кремниевых нанокристаллах, покрытых атомами углерода, существенно увеличивается перекрытие волновых функций электронов и дырок в координатном и импульсном пространствах в центре зоны Бриллюэна, что приводит к увеличению скорости излучательных переходов на несколько порядков. Эффект усиления интенсивности излучательной рекомбинации и быстрая динамика излучательных переходов экспериментально подтвержден в кремниевых нанокристаллах, покрытых алкальными цепями CH_3-CH_3-. Обнаружено новое явление — возрастание поглощения квантов излучения с энергией больше 2-х ширин запрещённой зоны кремниевых нанокристаллов в матрице диоксида кремния. Для объяснения предложена модель, основанная на захвате горячего экситона в метастабильное поверхностное состояние с последующей генерацией двух экситонов меньшей энергии в соседних нанокристаллах.

Исследовано формирование спектров теплового излучения нейтронных звёзд с сильными магнитными полями. Создана база рассчитанных спектров излучения частично ионизованных водородных атмосфер нейтронных звёзд, впервые включающая одновременный учёт сильного магнитного поля и неполной ионизации. Разработан новый эффективный метод вычисления излучательных и отражательных свойств магнитных конденсированных поверхностей нейтронных звёзд. Разработана модель теплового излучения нейтронных звёзд с сильными магнитными полями, и впервые предложено объяснение наблюдаемых зависимостей рентгеновского потока и формы теплового спектра от фазы вращения звезды.

Разработан новый подход к изучению спин-систем парамагнитных центров в полупроводниках на примере ионов Mn²⁺ в GaAs: для прямого измерения спиновой поляризации марганца использован метод рамановского рассеяния света с переворотом спина. Показано, что обменное взаимодействие Mn²⁺ и спин-поляризованных электронов проводимости GaAs приводит к оптической накачке Mn²⁺, сохранению углового момента в системе марганца, обратной передаче момента в электронную спин-систему и управлению прецессией электронного спина обменным полем марганца. Спины парамагнитных центров в полупроводниках перспективны в качестве квантовых битов информации.

Продемонстрирована возможность управления шириной запрещённой зоны оксида графена и оксида графита в широком энергетическом интервале от ближнего ультрафиолетового до инфракрасного диапазона. Получены плёнки графена на диэлектрической поверхности, соответствующие лучшим мировым аналогам по размерам составляющих микрокристаллитов. На поверхности двуокиси кремния сформированы плёнки гидрированного графена с шириной запрещённой зоны около 0.3 эВ, что открывает возможности для разработки терагерцового «графенового» транзистора.

Впервые получены и исследованы светоизлучающие полевые транзисторные структуры на основе композитных пленок полимер - неорганические наночастицы, совмещающие в себе переключающие свойства полевого транзистора и светоизлучающие свойства органического светодиода Обнаружено возрастание подвижности носителей заряда при росте концентрации неорганических наночастиц в активном композитном слое таких транзисторных структур. Обнаружен и исследован эффект излучения света в композитных полевых транзисторных структурах на основе полимеров и полупроводниковых наночастиц. Впервые исследованы электрические и оптические свойства полупроводниковых полимеров, используемых в полевых транзисторных структурах, в ТГц области частот. Технология полученных и исследованных транзисторных структур совместима с современной технологией гибкой печатной органической электроники.

На основе узкозонных полупроводников III-V и их твердых растворов созданы лавинные фотодиоды с разделенными областями поглощения GaInAsSb и умножения GaAlSb («резонансного»состава), работающие при комнатной температуре в спектральном диапазоне 1.6—4.0 мкм и обладающие сверхнизким коэффициентом избыточного шума F~1.6 (M=10). C использование новых конструктивных решений - разделение фоточувствительной и контактной мез с применением технологии «air-bridge» контакта разработаны сверхбыстродействующие GaInAsSb/GaAlAsSb и InAsSb/InAsSbP p-i-n фотодиоды для спектрального диапазона 1.1—4.0 мкм, что позволило снизить величину емкости фотодиодов и достигнуть рекордного быстродействия 50-150 пс (полоса пропускания ≥ 2-5 ГГц).

Обнаружена индуцированная неполяризованным светом поляризация спиновых уровней дефектов в алмазе и карбиде кремния при 300 К, с большим временем когерентности. На базе этих уникальных свойств показана возможность создания нового класса магнитометров, кубитов, биологических меток. Для успешной реализации этих возможностей был изготовлен принципиально новый прибор, совмещающий зондово–оптическую микроскопию и спектроскопию магнитного резонанса — зондово–оптический спектрометр магнитного резонанса.

Сверхбыстрые магнитные фазовые переходы могут стать основой новых устройств, работа которых требует субнаносекундного управления намагниченностью. В данном цикле работ использовались циркулярно-поляризованные 100 фс лазерные импульсы для возбуждения в антиферромагнитном диэлектрике ориентационных фазовых переходов, связанных с поворотом намагниченности на 90°. Впервые продемонстрировано экспериментально, что воздействие такого одиночного импульса приводят к сверхбыстрому повороту намагниченности, а направлением поворота можно управлять, меняя поляризацию и интенсивность импульса. Предложена концепция магнитной гетероструктуры металл/диэлектрик, в которой может быть реализован такой способ управления сверхбыстрыми поворотами намагниченности.

Современные космические аппараты предъявляют повышенные требования к увеличению энергосъема и ресурса работы бортовых солнечных батарей. В ФТИ им. А.Ф. Иоффе разработана технология каскадных фотопреобразователей на основе наногетероструктур AlGaInP/GaInAs/Ge с повышенной эффективностью и радиационной стойкостью. Увеличение эффективности достигнуто за счет «внутреннего расщепления» солнечного излучения в гетероструктурах на три спектральных диапазона, преобразуемых тремя, последовательно включенными фотоактивными областями. Использование в структуре фотопреобразователя встроенных Брегговских отражателей позволило уменьшить толщину фотоактивных областей, резко снизить радиационное дефектообразование в них и, тем самым, поднять радиационную стойкость. Разработанная технология внедрена на предприятии ОАО «Сатурн» (г. Краснодар) на первом в России серийном производстве каскадных космических батарей и обеспечила более, чем двукратное увеличение удельного энергосъема и ресурса работы по сравнению с ранее выпускавшимися кремниевыми батареями.

Второй постулат Специальной теории относительности Эйнштейна на протяжении столетия был объектом постоянных атак со стороны противников этой теории и ее автора. К юбилею Специальной теории относительности ее противники активизировались во всем мире, особенно в России, что сопровождалось нападками на Российскую Академию наук, якобы прикрывающую «столетний обман». Комиссия РАН по борьбе с лженаукой сочла целесообразным осуществить неопровержимый демонстрационный эксперимент в духе предложения С.И. Вавилова использовать для этой цели релятивистский пучок частиц. В настоящее время такая возможность появилась. Соответствующий эксперимент был спланирован Физико-техническим институтом им. А.Ф. Иоффе РАН и реализован совместно с Курчатовским институтом. Использовалось малое накопительное кольцо синхротрона для вывода импульсов света, испускаемых ультрарелятивистским электронным сгустком по касательной к его траектории. Измерялось время прохождения светового импульса в вакууме через фиксированную базу. Было показано, что строго в соответствии со Вторым постулатом Специальной теории относительности Эйнштейна скорость светового импульса, испущенного ультрарелятивистским электронным сгустком, не отличается от табличной скорости света в вакууме в пределах точности, составляющей 0,3%. Эксперимент может быть успешно использован в учебно-образовательном процессе.

Проведены исследования методов управления спектром лазерного излучения посредством ультразвуковой деформации (диапазон частот: 5 ? 20MHz) в наноразмерных InGaAsP/InP лазерных гетероструктурах. В результате: Продемонстрирована возможность управления непрерывной периодической перестройкой частоты излучения гетеролазеров с помощью ультразвуковой деформации с сохранением интенсивности и спектрального состава излучения. Теоретически предсказана и экспериментально подтверждена возможность изменения направления распространения излучения в плоскости распространения излучения и звуковой волны. Установлено, что введение ультразвуковой волны приводит к модуляции направления поляризации лазерного излучения в пределах, определяемых величинами деформации и расщепления дырочных уровней в квантовой яме. Показана возможность использования ультразвуковой методики для изучения деформационного воздействия на спектр состояний в квантовой яме лазерных гетероструктур. Установлено, что все наблюдаемые эффекты определяются акустооптическим и акустоэлектронным механизмами взаимодействия.

Выполнены комплексные экспериментальные и теоретические исследования спектров брэгговского отражения света от трехмерных фотонных кристаллов (ФК), изготовленных из монодисперсных полимерных частиц. Предложена динамическая теория многоволновой дифракции, позволяющая детально анализировать оптические спектры с учетом реальных поверхностей и при наличии сильного диэлектрического контраста ФК. Установлено, что в условиях многоволновой дифракции света дублетная структура наблюдаемых спектров отражения возникает за счет дополнительной моды «медленного» света, возбуждающейся в частотном интервале основной стоп-зоны. Такая мода обеспечивает дополнительный перенос энергии внутрь ФК, формируя тем самым спектральный провал в полосе брэгговского отражения.

Исследованы эффекты модовых переключений в мощных полупроводниковых лазерах с низкими оптическим потерями. Показано, что возникновение области аномальной динамики свет-токовых характеристик связано с переключением генерации между модами Фабри-Перо резонатора и замкнутой модой. Разработаны физико-технические принципы создания нового типа быстродействующих модуляторов мощного лазерного излучения, основанные на управляемом переключении лазерной генерации между различными модами. Использование разработанных модуляторов позволяет впервые в рамках одного кристалла управлять интенсивностью выходного оптического излучения через взаимодействие двух оптических подсистем, что открывает уникальные возможности при реализации сверхбыстрых переходных процессов и формировании управляемых высокочастотных последовательностей сверхкоротких оптических импульсов мощного лазерного излучения. Для разработанных модуляторов получены управляемые последовательности оптических импульсов с пиковой мощностью до 10 Вт, фронтами 300 пс и эффективностью управления 30Вт/А.

Впервые была апробирована и исследована возможность модификации свойств поверхности и объема металлических пленок нанометровой толщины адсорбированными на их поверхности молекулами-лигандами (молекулы кислорода и монооксида углерода). Показано, что адсорбция молекул на нанопленках иттербия сопровождается радикальными, зависящими от количества адсорбата на поверхности, изменениями электронной структуры и физико-химических свойств этих пленок. Указанные изменения распространяются вглубь нанообъектов на аномально большую величину (не менее 10 слоев, или не менее 4 нанометра). Полученные результаты означают, что адсорбция молекул на поверхности пленок нанометровой толщины дает возможность кардинально, контролируемым образом управлять свойствами этих пленок, т.е. создавать нанообъекты с заданными параметрами

Сейсмология нейтронных звезд (НЗ) является бурно развивающейся областью исследований, поскольку позволяет, исследуя электромагнитное и (в будущем) гравитационное излучение от колеблющихся НЗ, накладывать важные ограничения на свойства сверхплотного звездного вещества. Для создания реалистических моделей колеблющихся НЗ сформулированы основные положения релятивистской гидродинамики, описывающей сверхтекучее нуклон-гиперонное вещество ядер НЗ. Определены основные параметры этой гидродинамики, в частности, все 16 коэффициентов объемной вязкости и релятивистская матрица сверхтекучих плотностей. Разработан новый приближенный метод, кардинально упрощающий расчеты спектров колебаний сверхтекучих НЗ в рамках общей теории относительности. Метод позволил впервые рассчитать спектр нерадиальных колебаний сверхтекучей НЗ с учетом современных данных о свойствах сверхплотного вещества и с учетом эффектов конечных температур. Предложенный метод открывает широкие перспективы для прецизионных расчетов спектров сверхтекучих НЗ, которые необходимы для интерпретации имеющихся и будущих наблюдательных проявлений колеблющихся НЗ.

Исследованы механизмы переноса излучения и искажение импульсов света в области сильной оптической дисперсии вблизи экситонных резонансов в широкозонных полупроводниках GaN и ZnO. Обнаружена диффузия фотонов, вызванная резонансным рассеянием на экситонах, связанных на нейтральных донорах. Показана возможность получения «медленного света», скорость распространения которого менее 1% от скорости света в вакууме. Определены с повышенной точностью параметры свободных и связанных экситонов.

Нагрев плазмы на электронно-циклотронных (ЭЦ) частотах с использованием мощных гиротронов в настоящее время широко используется на крупных термоядерных установках и планируется к применению на сооружаемом токамаке-реакторе ИТЭР. Считается, что распространение ЭЦ волн и их поглощение в плазме хорошо описываются в рамках линейной теории и являются детально предсказуемыми. Вопреки этой устоявшейся точке зрения теоретический анализ показал, что немонотонный профиль плотности плазмы, часто наблюдающийся в экспериментах по ЭЦ нагреву, и тороидальная неоднородность магнитного поля, типичная для токамаков, приводя к локализации Бернштейновских волн, существенно (на четыре порядка величины) снижают пороги их возбуждения в результате таких нелинейных процессов, как параметрические распадные неустойчивости. Это обстоятельство объясняет ряд аномальных эффектов, таких как нелокальный электронный перенос, ускорение ионов и индуцированное рассеяние, которые наблюдаются в последние годы в экспериментах по ЭЦ нагреву плазмы, существенно снижают его эффективность и должны учитываться при проектировании систем ЭЦР нагрева в токамаке-реакторе ИТЭР.

Теоретически и экспериментально показано, что в магнитном поле при сильном обменном взаимодействии между электроном и дыркой в экситоне реализуется новый каскадный механизм коррелированной спиновой динамики. Показана возможность управлять естественной шириной экситонных состояний и эффективностью резонансного оптического отклика квантовых ям при помощи слабого дополнительного освещения с большой энергий квантов. Экспериментально обнаружена предсказанная нами ранее разновидность оптических спектров излучения слоев разбавленных магнитных полупроводников, возникающих в результате резонансного возбуждения локализованных экситонов и их взаимодействия с обменными полями магнитных флуктуаций. Полученые результаты, обогащают представления о спиновых явлениях в полупроводниковых наноструктурах и о фундаментальных аспектах взаимодействия света с нанообъектами.

Построена теория магнитоэлектрических эффектов, возникающих в гетероструктурах «сегнетоэлектрик-ферромагнетик», учитывающая влияние исходных деформаций несоответствия. Установлено, что гетероструктуры с критическими значениями деформаций несоответствия, при которых происходит фазовый или ориентационный переход, могут обладать гигантскими магнитоэлектрическими коэффициентами. Показано, что сегнетоэлектрические пленки, выращенные на ферромагнитных подложках, перспективны для создания сверхчувствительных датчиков магнитных полей для магнитоэнцефалографии и магнитокардиографии. Определены условия, при которых в гетероструктуре — ферромагнитная пленка — сегнетоэлектрическая подложка — обеспечивается эффективный электрический контроль частоты магнитного резонанса, необходимый для создания микроволновых приборов с низким энергопотреблением и высокой скоростью перестройки. Предложена концепция энергонезависимой магнитоэлектрической памяти случайного доступа, использующей только электрическое напряжение для записи и считывания информации.

В результате развития методов нелинейной оптической спектроскопии для решения актуальных задач спинтроники, физики магнитных явлений, фазовых переходов, доменов, поверхностей и интерфейсов экспериментально обнаружены новые вклады в генерацию оптических гармоник в объемных, тонкопленочных и наноразмерных полупроводниках и диэлектриках. Исследование перспективных материалов для спинтроники — магнитных полупроводников халькогенидов европия, позволило наблюдать запрещенные нелинейные оптические явления, индуцированные магнитным полем. Применение нелинейно-оптических методов для исследования мультиферроиков — редкоземельных манганитов, позволило впервые обнаружить взаимодействие антиферромагнитных и сегнетоэлектрических доменных стенок, что показывает возможность создания новых элементов наноэлектроники, управляемых как электрическими, так и магнитными полями.

Разработана технология получения пленочных опалов, обладающих одновременно как фотонной так и фононной зонной структурой, т.е. являющихся фотонно-фононными кристаллами. В таких структурах периодичность диэлектрической проницаемости в области видимого и ближнего ИК спектральных диапазонов сочетается с периодичностью акустического импеданса в области гиперзвуковых частот. С помощью методики сверхбыстрой когерентной пьезоспектроскопии показано, что в таких объектах возможно модулировать спектральноге положение фотонной запрещенной зоны с высокой частотой 1010 — 1012 Гц. Полученные результаты демонстрируют возможность и перспективность сверхбыстрого управления световыми потоками импульсами деформации.