WWW.LIBRUS.DOBROTA.BIZ
БЕСПЛАТНАЯ  ИНТЕРНЕТ  БИБЛИОТЕКА - собрание публикаций
 

Pages:   || 2 | 3 | 4 |

«высшего образования «Московский физико-технический институт (государственный университет)» Труды 61-й Всероссийской научной конференции МФТИ 19–25 ноября 2018 ...»

-- [ Страница 1 ] --

Министерство наук

и и высшего образования Российской Федерации

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение

высшего образования «Московский физико-технический институт

(государственный университет)»

Труды

61-й Всероссийской научной конференции МФТИ

19–25 ноября 2018

Фундаментальная и прикладная физика

Москва – Долгопрудный – Жуковский

МФТИ

УДК 53

ББК 22.3

Т78

Труды 61-й Всероссийской научной конференции МФТИ. 19-25 ноября

2018 года. Фундаментальная и прикладная физика. — М.: МФТИ, 2018. – 350 с .

Т78 ISBN 978-5-7417-0687-9 Включены результаты оригинальных исследований студентов, аспирантов, препо давателей и научных сотрудников МФТИ и дружественных учебных и научных организаций. Статьи представляют интерес для специалистов, работающих в области фундаментальной и прикладной физики .

УДК 53 ББК 22.3 ISBN 978-5-7417-0687-9 © Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Московский физико-технический институт (государственный университет)», 2018 Оглавление Программный комитет конференции

Организационный комитет конференции

СЕКЦИЯ ОБЩЕЙ ФИЗИКИ

Выбор параметров входного окна газонаполненного сепаратора, работающего при повышенной интенсивности пучка тяжёлых ионов

О возможности ускорения ионов сжимающимися лайнерами: условия отсутствия коллективного торможения на электронах

Структуры электрических полей в грозовых облаках, поддерживающие длительные TGE......... 16 Распространение поверхностного поляритона в полупроводниковых гетероструктурах.............. 17 Методика определения химического состава поглотителя рентгеновского излучения.................. 19 Определение строения гиперразветвленного полиэфира BOLTORN и его производных методом спектроскопии ЯМР

Исследование изменчивости характеристик тропопаузы в арктической зоне по данным радиозондирования

Амплитудно-частотные характеристики воздушно-резонансных трансформаторов Н. Тесла и классическая модель возникновения в них колебательных процессов

Поиск парадокса Мпембы в процессе замерзания воды

Применение алгоритма Метрополиса с использованием имитации ударной волны для моделирования наночастиц сплава Cu–Ni

Уточнение вероятностной модели перемешивания диффундирующих частиц

СЕКЦИЯ ФОТОНИКИ И ДВУМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Механизмы передачи и релаксации электронного возбуждения в комплексах Sm(III) с лигандным окружением из класса -дикетонатов

Проявление магнитоплазменных колебаний в 2D электронном газе в поглощении электромагнитных волн

Полевые транзисторы на основе графена и металлических наночастиц для создания фотодетекторов видимого и инфракрасного диапазона

Оценка влияния окружающей среды на оптические свойства тонких пленок меди

Расчет дисперсии решеточных плазмонных резонансов

Исследование митохондрий методом спектроскопии гигантского комбинационного рассеяния. 38 Когерентность металл-полупроводниковых нанолазеров

Эффект суперинжекции в широкозонных полупроводниках

Управление зарядовым состоянием дефектов в алмазе и карбиде кремния

Спектральная эллипсометрия двумерного MoS2 – анализ экситонных эффектов

Высокочувствительные оптические биосенсоры на основе металл-диэлектрических интерфейсов и адсорбционных поверхностей из двумерных материалов





Теоретическое исследование безызлучательной рекомбинации и оптического усиления в квантовых ямах из теллурида кадмия-ртути

Теория возмущений для гидродинамических плазменных эффектов в двумерных электронных системах

Диэлектрический отклик монокристаллических гексаферритов М-типа Ba1–xPbxFe12O19 в терагерцовом-инфракрасном диапазоне частот

Спектроскопия плазмонного резонанса в графене

Оптические и электрические свойства тонких пленок меди и золота на различных подложках.. 50 Cтруктурные свойства тонких пленок золота и меди на поверхности графена

Зарядовый транспорт и релаксация воды в биологических системах

СЕКЦИЯ ПРИКЛАДНОЙ ОПТИКИ

Эффекты двухосного поверхностного потенциала при распределении профиля директора смектика C*, стабилизированного полимером

Уточненная концепция черной дыры и ее минимальный размер

Измерение квантового выхода синглетного кислорода в растворах бактериохлоринов................ 58 Концепция гетеродинного спектрометра среднего ИК-диапазона для исследования планетных атмосфер

Компактный лазерный гетеродинный спектрометр ближнего ИК-диапазона для прецизионных измерений контура линии СО2 в столбе атмосферы Земли

Моделирование квазинекогерентной рефлектограммы в фазочувствительном рефлектометре с распределённым рамановским усилителем

Исследование ВКР-перекоса DWDM-каналов с разными типами модуляции

Описания динамики излучения криогенного лазера на основе аналога матрицы Шпольского.... 65 Исследование влияния ультразвука при осаждении миоглобина из водных растворов на ГКРактивные подложки

Влияние нелинейных эффектов на работу фазочувствительного рефлектометра в различных волокнах

Исследование свойств метаповерхностей

Применение болометра на эффекте электронного разогрева с планарной антенной в спектроскопии среднего инфракрасного диапазона

Методика оценки динамики зрительной деятельности человека

Расчет квазиклассических параметров фотона

Изучение изгибных потерь в волоконно-оптическом халькогенидном разветвителе в среднем ИК-диапазоне

Поляризационное световое поле в задаче трехмерного сканирования объектов

СЕКЦИЯ ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ ФИЗИКИ

Комментарии к адиабатической теореме

Локальные симметрии NS 5-бран и T-дуальность

Перепутанные состояния в одномерной и двумерной модели Кугеля-Хомского

Энергетические зависимости полного сечения резонансного и нерезонансного двумерного квантового диполь-дипольного рассеяния

Квантовая теория безмассового скалярного поля в двумерном пространстве Минковского при наличии неидеального движущегося зеркала

Об эволюции обобщенных когерентных состояний перевернутого осциллятора в однородном переменном поле

Статистическая физика взаимодействующих виртуальных кластеров на случайных ультраметрических деревьях

СЕКЦИЯ БИОФИЗИКИ

Комбинированные измерения митохондриального дыхания и продукции активных форм кислорода в тканях мозга

Биохимическое и биофизическое исследование CYP136 M.tuberculosis

Исследование конформационной динамики мембранных белков с помощью индуцированных белком изменений фотофизических параметров флуоресценцентной метки

Дизайн и синтез новых амфифильных полимеров для изучения мембранных белков методом поверхностного плазмонного резонанса

Исследования сенсорного домена бактериальной гистидин киназы QseС

О тесной связи воспалительных процессов и старения организма

Моделирование белок-липидного комплекса ротора АТФ-синтазы

Молекулярные механизмы G-белковой активации, исследованные микроскопией одиночных молекул и двухфотонной поляризационной микроскопией

Структурные и биофизические исследования термостабильного флуоресцентного белка на основе LOV-домена

Исследование динамики митохондриальной сети при помощи фотоконвертируемого белка Dendra2

Применение метода главных компонент для исследования динамики липидов в мембранных системах

Исследование вариантов термостабильного флуоресцентного белка на основе LOV-домена...... 98 Новые возможности применения кремниевых наночастиц в биофотонике

Структурные исследования гомолога глутаматного транспортёра из Pyrococcus horikoshii....... 100 Экспрессия эукариотической протонной помпы из L.maculans в LEXSY и ее структурный и функциональный анализ

Функциональные и структурные исследования вирусного родопсина OLPVR1.

Создание мономерных мутантов LOV-домена из термофильных бактерий Chloroflexus aggregans

Исследование воздействия антиоксидантов на длину теломер

Влияние гуанидин гидрохлорида на фотоцикл бактериородопсина

Структура модульных нанотранспортёров, полученная методом малоуглового рентгеновского рассеяния

Деконволюция данных, полученных с помощью установки малоуглового рентгеновского рассеяния Rigaku

Метод DLW-фотолитографии для исследования свойств биологических объектов

Верификация структуры тримера димеров комплекса NpSRII/HtrII с помощью метода малоуглового рассеяния

Изучение внутриклеточной локализации мономеров A 1-42 методами современной флуоресцентной микроскопии

Успешное определение структуры рецептора, сопряжённого с G-белком, при помощи лазера на свободных электронах PAL XFEL

Оценка качества, оптимизация и автоматизация реконструкции изображений сверхвысокого разрешения

Исследование структурных и термодинамических свойств однодоменных антител

Изучение на молекулярном уровне схемы транспорта из эндоплазматического ретикулума в аппарат Гольджи

Идентификация нейтрофилов, ассоциированных с кровеносными и лимфатическими сосудами в легких мышей с воспалением, вызванным ингаляцией спор гриба Aspergillus fumigatus........... 116 Исследование генетического разнообразия LOV-фоторецепторов

Исследование структурных изменений в липидных везикулах в двух фазах

СЕКЦИЯ ПРОБЛЕМ КВАНТОВОЙ ФИЗИКИ, ЭЛЕКТРОФИЗИКИ, КВАНТОВОЙ

РАДИОФИЗИКИ И ПРОБЛЕМ ФИЗИКИ И АСТРОФИЗИКИ

Влияние влажности воздуха на распространение лазерных импульсов в режиме филаментации

Лазер для получения одетых состояний и последующего охлаждения атомов тулия.................. 122 Подготовка внутренних состояний охлажденных атомов тулия с помощью оптической накачки

Об использовании приближения сильно связанных электронов в задаче о динамике электронов в кристалле в постоянном электрическом поле

Эффект Лензе-Тирринга в сильном поле

СЕКЦИЯ СОВРЕМЕННЫХ ПРОБЛЕМ ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ ФИЗИКИ И ФИЗИКИ

КОНДЕНСИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ

Изучение свойств туннельных топологических джозефсоновских контактов

Хиральное взаимодействие, вызванное сверхпроводящим током

Расширение коров сверхпроводящих вихрей в диффузном металле

Необычное проявление сосуществования сверхпроводимости и ферромагнетизма в железосодержащем пниктиде RbEuFe4As4

Реализация трёхкубитной схемы на трансмонах

Генерация джозефсоновских вихрей локальным магнитным полем кантилевера МСМ............. 140 Неборновские эффекты в рассеянии электронов в чистой проводящей трубке

СЕКЦИЯ ФИЗИКИ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУР

Система стабилизация температуры резонатора акустического газового термометра................ 143 Быстродействие низкотемпературных приемников с СИНИС болометром на частоте 350 ГГц. 145 Тонкопленочный низкотемпературный эмиттер электронов

Энергетическая щель в квазиодномерном S = 1/2 антиферромагнетике с однородным взаимодействием Дзялошинского–Мории K2CuSO4Cl2

Critical Temperature in Aluminum Films

СЕКЦИЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ КИНЕТИЧЕСКИХ И ЯДЕРНЫХ ПРОЦЕССОВ................. 150 Проблемно-моделирующая среда для анализа газокинетических процессов в полости межэлектродного зазора термоэмиссионного электрогенерирующего канала ЯЭУ

Генерирование сеток Коробова и точность вычисления интегралов для анализа газокинетических процессов

Компьютерное моделирование течения разреженного газа по тонкой трубке на основе кинетической теории

Анализ и компьютерное моделирование движения аэрозоля в верхних слоях атмосферы......... 156 Моделирование ударных волн в микроканалах на основе теории Больцмана

Исследование свободномолекулярного течения газов в узких каналах.

СЕКЦИЯ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ ОСНОВ МНОГОМАСШТАБНОГО

АТОМИСТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

Диффузия в леннард-джонсоновской системе

Решение системы уравнений, моделирующей эффект «ion wake», методом решеточных уравнений Больцмана

Исследование распределения по скоростям в системе малого числа частиц

Процессы релаксации распределения по скоростям в классической молекулярно-динамической модели

Сжатие больших данных в микроскопии.

СЕКЦИЯ КВАНТОВЫХ ЯВЛЕНИЙ В СВЕРХПРОВОДЯЩИХ СИСТЕМАХ

Адаптация метода теневого напыления для изготовления высококогерентных сверхпроводящих структур

Взаимодействие вихрей Абрикосова с искусственным массивом сверхтвердых ферромагнитных ловушек

Z-импульсы на трансмонах

Разработка однофотонного детектора микроволнового диапазона частот

Измерение частотных характеристик кинетической индуктивности в сверхпроводящих пленках

СЕКЦИЯ НАНООПТИКИ И СПЕКТРОСКОПИИ

Динамика образования иона XeI+ при ионизации смешанных кластеров (CF3I)n(Xe)m................ 179 Оптические и механические свойства тонкопленочных покрытий на основе одностенных углеродных нанотрубок

Локализация атомов импульсным полем фемтосекундной длительности

Эффект Парселла в металлоорганической нано-патч антенне с излучателем в виде Ru-комплекса

Квантовая электронная плазма и взаимодействие H-волн с одномерным металлодиэлектрическим фотонным кристаллом

Два типа изолированных (квантовых) излучателей, связанных с дислокациями в твёрдом растворе CdZnTe

Люминесцентные свойства оптически активных центров в кристаллическом ZnSe:Fe при низких температурах

Оптические свойства SiV центров в ультрамаленьких наноалмазах

Свойства запутанных квантовых состояний систем одинаковых атомов в магнитных полях..... 192 Структура и электрооптические свойства монокристаллов CH3NH3PbI3

Резонансная спектроскопия комбинационного рассеяния атомарно тонких слоёв MoS2............ 196 Высаждение наноалмазов методом вакуумного испарения

Люминесцентные свойства боратов LnGa3(BO3)4 (Ln = Nd, Sm, Er, Dy, Ho)

Особенности электронных спектров GeV- - центров в CVD-алмазах при низких температурах 200 Магнонная мода в спектре комбинационного рассеяния

СЕКЦИЯ КОСМИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ И СОВРЕМЕННОЙ АСТРОФИЗИКИ..... 205

Продлённое излучение в кривых блеска космических гамма-всплесков, зарегистрированных экспериментом SPI-ACS INTEGRAL

Об определении магнитного потока в релятивистском струйном выбросе в окрестности черной дыры

Зональные течения двумерной вырождающейся магнитогидродинамической турбулентности на бета-плоскости

Исследование автомодельного решения о распространении сильной ударной волны в расширяющейся Вселенной

Линзирование конуса световых лучей керровской черной дырой

Связь между широкополосными радиоспектрами и парсековой структурой внегалактических радиоисточников по результатам наблюдений полной выборки радиоисточников склонением выше +75 градусов

Спектр Солнца в ближнем инфракрасном диапазоне по данным ACS NIR на борту TGO......... 214 Сезонные карты CO2 льда по данным СПИКАМ/Марс-Экспресс

Численное моделирование магнитогидродинамической турбулентности в трехмерной вращающейся плазме

Сжимаемые магнитогидродинамические течения астрофизической плазмы в приближении мелкой воды

Изучение влияния облачности на радиационный баланс Земли по данным спутниковых измерений

Распространение волн в магнитосфере миллисекундных радиопульсаров с использование реалистичных магнитных полей

Волны Россби в магнитной гидродинамике стратифицированной плазмы в приближении двуслойной мелкой воды

Аналитическая теория сдвиговой турбулентности в космической плазме

Исследование молодого массивного звёздного объекта G192.16-3.82

Ортогональные интеримпульсные радиопульсары — ключ к пониманию закона их эволюции 226 Широкополосный спектр рентгеновской двойной системы M33 X-6 по данным NuSTAR и SwiftXRT. Внегалактический источник Z-типа?

СЕКЦИЯ ЛАЗЕРНЫХ СИСТЕМ И СТРУКТУРИРОВАННЫХ МАТЕРИАЛОВ.................. 230 Лазерная масс-спектрометрия биологических объектов для фармакологических и гистологических исследований

Лазерная генерация удлинённых наночастиц при импульсном облучении золота в воде и водных растворах CaCl2

Упрочнение сплава ЭП517-Ш при помощи импульсного лазера мощностью до 50 МВт под воздействием гидроудара

Упрочнение никелевого жаропрочного сплава ХН73МБТЮ (ЭИ698ВД) мощным импульсным лазером

Анизотропия зарядового транспорта и магнитные фазовые переходы в антиферромагнетике HoB12

Влияние примеси ионов титана на низкоэнергетическую динамику гексаферрита бария.......... 239 Диссоциация воды под действием плазмы лазерного пробоя

Изучение влияния термической обработки на структуру стали PH1, полученной методом селективного лазерного плавления

Анализ изомерного состава алканов по спектрам комбинационного рассеяния света................ 245 Широкодиапазонная спектроскопия твердых растворов замещения на основе гексаферрита бария

Легированные висмутом волоконные световоды с сердцевиной, изготовленной из нанопористого кварцевого стекла

Перспективные направления в микро- и наноструктурировании объёма прозрачных диэлектриков сверхкороткими лазерными импульсами

Температурные особенности спектров поглощения пленок из неупорядоченных однослойных нанотрубок различной длины

СЕКЦИЯ ФИЗИКИ ВЫСОКИХ ПЛОТНОСТЕЙ ЭНЕРГИИ

Экспериментальное изучение сценария фазовых переходов в квазидвумерных плазменнопылевых системах

Расчёт влияния градиента температуры вдоль стенки газоразрядной трубки на ориентацию одномерных плазменно-пылевых структур при криогенных температурах

Спектральные характеристики теплового движения заряженных частиц в изотропной ловушке в присутствии магнитного поля

Цифровая голография в задаче диагностики плазменно-пылевых образований

Термодинамические функции нейтрального и положительного иона гидрида аргона................ 259 Влияние нелинейного экранирования на термодинамику комплексной плазмы

Испарение и ионизация составляющих смесевого катода из CeO2 и Cr в диффузной вакуумной дуге для задач плазменной сепарации ОЯТ

Активное броуновское движение частиц с модифицированной поверхностью в плазменнопылевом монослое при воздействии лазерного излучения

Исследование тягово-энергетических характеристик плазменных актуаторов при пониженном давлении

Исследование электрических характеристик плазменных актуаторов при различных давлениях

Согласованная интерпретация динамических экспериментов для молибдена в окрестности кривых плавления и испарения

Торрефикация биомассы в неподвижном слое минерального наполнителя – метод повышения калорических характеристик биотоплива

Условия устойчивости плазменно-пылевых цепочек в газовом разряде постоянного тока с переменной полярностью

Эффективная вязкость суспензии Paramecium caudatum в водном растворе полимера............... 269 Определение сил межчастичного взаимодействия в плазменно-пылевых цепочках в условиях микрогравитации

СЕКЦИЯ ПРОБЛЕМ БЕЗОПАСНОГО РАЗВИТИЯ АТОМНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ................. 272 Cравнение квазиодномерной и двухмерной моделей процесса «самопогружения»

тепловыделяющего шара

Перенос примеси в трещиновато-пористой среде, содержащей редкие случайные включения, сорбирующие примесь

Расчетное моделирование выхода активности из негерметичного твэла со сплошными таблетками в условиях облучения на АЭС «Козлодуй»

Результаты электрофизического неразрушающего контроля сварных соединений в образцах из сталей

Модификация эвристического оптимизационного алгоритма Harmony Search в применении к задаче калибровки профильной фильтрационной модели

Применение эвристических оптимизационных алгоритмов к задаче поиска источника загрязнения

СЕКЦИЯ ЭЛЕКТРОДИНАМИКИ СЛОЖНЫХ СИСТЕМ И НАНОФОТОНИКИ................ 284 Поглощение электромагнитной волны резонатором на основе диэлектрической пластины....... 284 Оптимизация формы контура зеркала коллиматора

Применение автокодировщика на базе нейронной сети для характеризации наноразмерных шероховатостей

Исследование влияния ультразвука при осаждении миоглобина из водных растворов на ГКРактивные подложки

Получение и применение тонких плёнок VO2 в электродинамических приложениях................. 289 Оптимизация процессов генерации поверхностных плазмон-поляритонов ансамблями полупроводниковых квантовых точек, размещенных вблизи металлической поверхности........ 290 СЕКЦИЯ «ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ И КОСМОЛОГИЯ».................. 293 Томография объектов с использованием мюонов космических лучей

Исследование влияния 3N-сил на величину извлекаемой энергии синглетного pp-состояния в реакции d+1Нp+p+n

Измерение основных характеристик лавинных фотодиодов для исследования распадов каонов в эксперименте NA62

Вклад операторов размерности 7 в взаимодействие топ-кварка с нейтральным током с нарушением аромата

Калибровка модулей адронного калориметра установки MPD/NICA

Проект детектора ANTI-0 для эксперимента NA62 (CERN)

Исследование вето системы нейтринного детектора NuPRISM

Сечение захвата солнечных нейтрино ядром 76Ge

Проектирование детектора протонов и электронов для мониторинга солнечных космических лучей

Применение пиксельных полупроводниковых детекторов c GaAs:Cr сенсором и Timepix микросхемой для контроля потока нейтронов

Отбор взаимодействий мюонных нейтрино в ближнем детекторе ND280 эксперимента T2K... 310 Проверка предсказаний киральной эффективной теории в эксперименте COMPASS................. 310 Статус измерения массы состояния X (3872) в современных экспериментах в физике высоких энергий

Распределение спектаторной материи по заряду и массе в модели Abration-Ablation................. 313 Коррекция динамики пучка вторичных электронов в анализаторе фазового спектра сгустков.. 315 Наблюдательные проявления аксионной темной материи

Использование мишелевских электронов для идентификации пи-мезонов в ближнем детекторе ND280 эксперимента T2K

СЕКЦИЯ «ИТЭР – ШАГ В ЭНЕРГЕТИКУ БУДУЩЕГО»

Отработка технологии быстрой вакуумной индукционной пайки бериллиевой облицовки панелей первой стенки ИТЭР

Тестирование макета импульсного рефрактометра (МИР) ИТЭР на токамаке Т-11М................. 321 Экспериментальная отработка компонентов макета рефрактометра ITER

Влияние магнитного поля на эрозию металлов, обусловленную расплескиванием и разбрызгиванием расплава при воздействии мощных потоков плазмы

Макет испытательного модуля бланкета с керамическим бридером и жидкометалическим теплоносиетелм для cтендовых испытаний

Моделирование дифракции синхротронного излучения в мозаичном монокристалле................ 330 Свойства продуктов эрозии вольфрама при его облучении интенсивными потоками плазмы... 330 Оценка предельно допустимых деформаций в системе сбора света диагностики «Активная спектроскопия ИТЭР» с помощью программного пакета Zemax

Осуществление контроля за уровнем бериллиевых загрязнений при изготовлении малых макетов панелей первой стенки ИТЭР

Применение компактного датчика давления на основе пьезокерамики для измерения давления торможения потока плазмы на установке КСПУ-Т

Моделирование спектров быстрых частиц для тангенциального спектрометра ИТЭР............... 337 Панель первой стенки модуля бланкета ИТЭР с механическим креплением энергонапряженных компонентов

Методика калибровки спектрометра, разработанного для диагностической системы «Активная спектроскопия» ИТЭР, по длинам волн с использованием эталона Фабри–Перо

СЕКЦИЯ КВАНТОВОЙ ТЕОРИИ ИНФОРМАЦИИ

Количественное описание корреляций, сопровождающих немарковскую квантовую динамику при смешивании марковских процессов

Немарковская динамика и деформации квантовых марковских цепей

Сравнение модели столкновений и предела низкой плотности для динамики открытых квантовых систем

Влияние свойств неклассического смешанного состояния накачки на свойства запутанности фотонов в процессе параметрической генерации

Корреляционные свойства суперпозиций многофотонных поляризационных состояний........... 348

–  –  –

УДК 621.039 Выбор параметров входного окна газонаполненного сепаратора, работающего при повышенной интенсивности пучка тяжёлых ионов Д.А. Ибадуллаев Международный университет природы, общества и человека «Дубна»

Детальное исследование свойств сверхтяжелых ядер (СТЯ), образующихся в реакциях полного слияния ускоренных ионов 48Ca с ядрами актинидных мишеней, предполагает использование пучка ионов с интенсивностью, значительно превышающей ту, при которой эти ядра были синтезированы ранее [1]. Эти реакции приводят к СТЯ с атомными номерами 112 Z 118 .

Получение еще более тяжелых ядер с Z 118 требует использования более тяжелых ускоренных ионов, таких как 50Ti, 54Cr, 58Fe и т. д., с интенсивностью большей, чем та, что была достигнута в экспериментах с 48Ca. Высокие интенсивности пучков тяжёлых ионов должны быть получены на новом циклотроне DC-280, базовой установке фабрики сверхтяжёлых элeментов Лаборатории ядерных реакций им. Г. Н. Флерова. Ожидаемая интенсивность пучка тяжёлых ионов ускорителя DC-280 составит 1014 с–1 для ионов с массой до 50 а.е.м. и энергией от 4 до 8 МэВ/нуклон [2]. При этих интенсивностях и энергиях пучка удельные мощности, генерируемые внутри тонких мишеней и фольг, могут достигать нескольких сотен Вт/см2.

Работа Дубненского газонаполненного сепаратора отдачи (ДГНС), используемого в экспериментах по синтезу СТЯ вплоть до последнего времени [1], должна быть обеспечена в таких условиях. В настоящее время циклотрон U-400, на котором проводятся эти эксперименты, выдает пучок 48Ca с интенсивностью ~1013 c-1. Это позволяет регистрировать события распада, соответствующие образованию нескольких сверхтяжёлых ядер в месяц, при имеющейся эффективности ДГНС [3] и сечении образования СТЯ в районе нескольких пб .

В ДГНС используется вращающаяся мишень (оптимальная толщина ~0,4 мг/см2 оксида актинида, нанесенного на Ti подложку 0,71 мг/см2) и вращающееся входное окно с такой же толщиной Ti фольги [4]. Входное окно отделяет внутренний объем ДГНС, заполненный водородом до давления 1 Торр, от циклотронного вакуума (давление в ионопроводе ~10–6 Торр). Эти элементы ДГНС позволяют выдерживать имеющуюся интенсивность циклотронного пучка U-400 в течение продолжительного времени [1]. Как уже отмечалось, синтез СТЯ с Z 118 предполагает использование пучка частиц более тяжелых, чем 48Ca (50Ti, 54Cr и т.д.) .

Очевидно, что высокие удельные мощности, создаваемые интенсивными пучками тяжёлых ионов во входном окне сепаратора, а также большие дозы пучка, набираемые в эксперименте, снижают долговечность и ухудшают эксплуатационные свойства титановых фольг. Считается, что деградация фольг происходит за счет распыления атомов, радиационных повреждений кристаллических решеток и воздействия повышенной температуры [5]. Температура фольги определяется мощностью нагрева, генерируемой внутри нее интенсивным пучком ионов и теплоотводом. В условиях ДГНС отвод тепла с элементов, подвергаемых воздействию интенсивного пучка тяжёлых ионов, может осуществляться путем теплопроводности, конвекции и процессов излучения [6]. Одним из способов значительно снизить тепловую нагрузку является использование импульсного режима. В случае непрерывного пучка импульсный режим может быть реализован с помощью вращения входного окна .

В данном докладе рассмотрена устойчивость работы входного окна при повышенной интенсивности пучка тяжёлых ионов. Устойчивость работы входного окна оценивается как результат воздействий интенсивного пучка тяжёлых ионов, таких как распыление, радиационные повреждения и температуры [5]. Обсуждаются оценки этих воздействий, определяющих стойкость входного окна. Вычисляется температура входного окна как функция времени в условиях его импульсного нагрева пучком тяжёлых ионов с последующим радиационным охлаждением и излучением, испускаемым с его поверхности. Проводится расчёт температур входного окна при облучении пучками тяжёлых ионов, таких как 48Ca, 50Ti, 54Cr и 58Fe с интенсивностями, соответствующими ожидаемым на ускорителе DC-280. На основании полученных расчётов зависимости температуры от времени воздействия пучков осуществляется выбор оптимальных параметров работы входного окна .

Литература Oganessian Yu.Ts., Utyonkov V.K. [et al.] Superheavy nuclei from 48Ca-induced reactions // Nucl. Phys. A. 2015 .

1 .

Vol. 944. P. 62–98 .

2. Gulbekian G.G., Dmitriev S.N., Oganessian Yu.Ts., Gikal B.N., Kalagin I.V., Bogomolov S.L., Ivanenko I.A., Kazarinov N.Yu., Ivanov G.N.and Osipov N.F. Status of the DC-280 cyclotron project // Proceedings of the 21st International Conference on Cyclotrons and their Applications. Zurich. Switzerland, 2016. P. 278–280 .

3. Subotic K., Oganessian Yu.Ts., Utyonkov V.K., Lobanov Yu.V., Abdullin F.Sh., Polyakov A.N., Tsyganov Yu.S .

and Ivanov O.V. Evaporation residue collection efficiencies and position spectra of the Dubna gas-filled recoil separator // Nucl. Instr. and Meth. in Phys. Res. 2002. A. Vol. 481, P. 71–80 .

4. Ivanov G.N. A device for heavy ion beam input into a gas-filled magnetic separator // Heavy Ion Physics, Scientific Report 1989–1990. Ed. by B. I. Pustyl’nik, JINR E7-91-75 (Dubna, 1991). P. 162–163 .

5. Yntema J. and Nickel F. Targets for heavy ion beams // Experimental Methods in Heavy Ion Physics, Lecture Notes in Physics. 1978. Vol. 83. P. 206–235 .

6. Sagaidak R.N. Durability of targets and foils irradiated by intense heavy ion beams in experiments on synthesis of superheavy nuclei // PEPAN Letters, Pleiades Publishing (to be published in vol. 14, N. 4, 2017) .

УДК 533.9.01 О возможности ускорения ионов сжимающимися лайнерами: условия отсутствия коллективного торможения на электронах А.С. Дзарахохова1, Н.П. Зарецкий2, А.В. Максимычев1, Л.И. Меньшиков1,2, П.Л. Меньшиков2 Ранее нами уже обсуждалась возможность создания сверхмощного импульсного источника характеристического рентгеновского излучения на основе компактного ускорителя тяжёлых ионов, ускоряемых в магнитном поле, сжимаемом газовым лайнером, предложенного в работе [1]. На рис. 1 представлена его принципиальная схема .

Для осуществления ускорения необходимо подавить коллективное торможение ионного пучка на электронах, обусловленного возбуждением ионами электронных плазменных колебаний, то есть пучковая неустойчивость. Цель нашего исследования состоит в выборе условий отсутствия указанного коллективного торможения. В литературе обычно считается, что коллективный эффект исчезает, если ионный пучок достаточно немонохроматичен по энергии. В данной работе показано, что этого недостаточно: для исчезновения когерентности взаимодействия ионов с электронами требуется ещё и наличие достаточно большого разброса по скоростям электронов. При этом возникает затухание Ландау возбуждаемых ионами плазменных волн на электронах, которое и подавляет пучковую неустойчивость. Условие подавления имеет вид 2 .

2 i 2 i = i / u, i Здесь характерный разброс по скоростям ионов, u – их скорость,

– 1,5 10 4 (приводимые здесь и далее численные значения параметров соответствуют = i e типичным условиям, характерным для предполагаемого импульсного источника рентгеновского излучения). Далее, i и e – плазменные частоты ионов и электронов,

–  –  –

течение всего процесса ускорения .

Рис. 1. Принципиальная схема импульсного инжектора ионов на основе сжимающегося газового лайнера 3 в виде полого цилиндра (при использовании лайнера в виде цилиндрической газовой струи может быть достигнута высокая частотность импульсов). Соленоиды 1 и 2 с полем Bi ~ 10 Тл, включённые навстречу друг другу, создают магнитное поле с конфигурацией типа «касп». Кривая 5 – траектория одного из ионов, испускаемых импульсным коаксиальным диодом 4 с магнитной изоляцией Литература

1. Меньшиков Л.И., Недосеев С.Л., Смирнов В.П., Сомов Л.Н. Возможность ускорения заряженных частиц в сжимающихся плазменных лайнерах // Препринт ИАЭ-5077/6, М., 1990; Атомная энергия. 71(6), 511 (1991) .

УДК 539.122.04 Структуры электрических полей в грозовых облаках, поддерживающие длительные TGE М.Е. Зелёный Московский физико-технический институт (государственный университет) Институт ядерных исследований РАН Институт космических исследований РАН В современные исследования посвященных проблема грозовых разрядов большее внимание уделяется наблюдениям за потоком гамма-квантов и релятивистских электронов, возрастающих в периоды, предшествующие грозовому разряду. Измерение потока и энергетического спектра этих частиц дает возможность проверять корректность моделей, описывающих образование молнии, или модель описывающую структуру электрических полей, которые труднодоступны для непосредственного наблюдения и не могут быть воспроизведены в лабораторных условиях. В данной работе мы рассмотрим результаты наблюдений за потоками частиц от облаков, произведенными на научной станции на горе Арагац в Армении, и рассмотрим, как они согласуются с трипольной структурой электрического заряда в грозовом облаке. Также будут рассмотрены результаты моделирования, произведенного с помощью транспортных кодов GEANT4 и CORSIKA .

–  –  –

прошедшее излучение и Psp – поток поверхностного поляритона. То есть должно выполняться равенство

–  –  –

Литература

1. Маркузе Д. Оптические волноводы: пер. с англ. / под ред. В.В. Шевченко. М.: Мир, 1974 .

2. Нефедов Е.И. Дифракция электромагнитных волн на диэлектрических структурах. М.: Наука, 1978 .

3. Дюбуа А.Б., Зилотова М.А., Кучерявый С.И., Сафошкин А.С. – Кинетические процессы в умеренно легированном гетеропереходе // Вестник РГРТУ. 2013. №3(45). С. 88–92 .

4. Петров Д.В. // Квантовая электроника. 1(2), 329, 1974 .

5. Шевченко В.В. Плавные переходы в открытых волноводах. М.: Наука, 1978 .

6. Агранович В.М., Кравцов В.Е., Лескова Т.А. // ЖЭТФ, 81(11). С. 1828. 1981 .

7. Voronko A.I., Klimova L.G., Shkerdin G.N. // Solid State Comm., 6. P. 361, 1987 .

8. Поверхностные поляритоны./ под ред. В.М. Аграновича, Д. Миллса. М.: Наука, 1986 .

–  –  –

При прохождении рентгеновского излучения в диапазоне энергий фотонов до 200 кэВ через вещество происходит преимущественно поглощение излучения. Такое поглощение можно описать в терминах сечения поглощения µ Z, которое также имеет некоторую спектральною зависимость µ Z = µ Z (E ) ; здесь индекс Z – заряд ядра атома химического элемента, входящего в состав образцапоглотителя. Если вещество образца-поглотителя включает в себя несколько различных химических элементов, каждый из которых может быть характеризован эффективной толщиной hZ, то интенсивность излучения после прохождения такого образца запишем в виде

–  –  –

Распределение значений эффективных толщин hZ для разных типов элементов, входящих в состав поглотителя, и требуется определить. Для этого предлагается экспериментально получить ряд величин интегральной спектральной интенсивности для различных ускоряющих напряжений на трубке.

При использовании сцинтиллятора и КМОП-матрицы сигнал с каждого пикселя матрицы пропорционален интегральной по спектру интенсивности:

S ( E0 ) = k I ( E0 ). (3) Коэффициент пропорциональности k описывает эффективность преобразования энергии рентгеновского излучения в цифровой сигнал, регистрируемый аппаратурой. Как показали предварительные измерения, зависимость (3) действительно имеет место до тех пор, пока не будет достигнут уровень насыщения регистрируемого сигнала .

Для того чтобы явным образом не учитывать значение коэффициента k, можно работать не с самим значением регистрируемого сигнала, а с его нормированной величиной:

–  –  –

E0 ( E ) – нормированное распределение спектральной плотности интенсивности рентгеновского излучения при ускоряющем напряжении E0. При проведении практических измерений величину E ( E ), необходимо измерить для заданной рентгеновской трубки .

Критерий оптимизации можно определить через минимизацию функцию ошибки:

–  –  –

На основе предварительных измерений было показано, что образцы, состоящие из материалов с сильно различающимися атомными номерами, могут быть распознаны с помощью описанной в работе методики, без использования спектрально чувствительных детекторов рентгеновского излучения .

Литература

1. Shikhaliev PM. Computed tomography with energy-resolved detection: a feasibility study // Physics in medicine and biology. 2008;53:1475–95. pmid:18296774 .

2. Bateman C.J. [et al.] MARS-MD: rejection based image domain material decomposition // 2018 Journal of Instrumentation 13 P05020 .

УДК 543.429.23 Определение строения гиперразветвленного полиэфира BOLTORN и его производных методом спектроскопии ЯМР В.А. Шпотя1, А.М. Перепухов1, А.В. Максимычев1, В.И. Гомзяк2, С.Н. Чвалун2 Московский физико-технический институт (государственный университет)

–  –  –

В последние годы внимание многих исследовательских коллективов привлекает синтез и исследование свойств макромолекул сложной архитектуры: полимерных щеток, звездообразных, гребнеобразных и др. Особый интерес вызывают дендримеры и их менее регулярные аналоги – гиперразветвленные полимеры, имеющие большое количество периферийных функциональных групп, которые можно модифицировать с целью адаптации базовой макромолекулы под конкретную научную или технологическую задачу. Благодаря возможности варьирования физических и химических свойств, такие макромолекулы могут служить универсальной платформой для транспортировки веществ различной природы, в частности, в качестве наноконтейнеров для адресной доставки лекарственных веществ .

В данной работе методом спектроскопии ЯМР изучаются свойства гиперразветвленного полиэфира 2.2-бис(метилол)пропионовой кислоты (полиэфир BOLTORN), а также его производных с полилактидом. В зависимости от количества полилактидных групп можно управлять химическими и физическими свойствами итоговой молекулы. Основной целью является установление структуры производного полиэфира BOLTORN с полилактидом. Для достижения цели были поставлены задачи определения числа полилактидных групп в производных BOLTORN, а также определения числа активных центров в молекуле BOLTORN .

Число активных центров в молекуле BOLTORN, являющихся потенциальными местами присоединения полилактидных групп, определяется строением молекулы и может быть оценено с помощью методов ЯМР. В структуре полиэфира BOLTORN повторяющиеся звенья делятся на три типа: терминальные (или концевые, T), линейные (L) и дендридные (разветвляющиеся, D). При этом в силу строения активные центры – гидроксильные группы – есть в терминальных звеньях (2 шт) и в линейных звеньях (1 шт). В спектрах 1Н-ЯМР значения химических сдвигов для звеньев различных типов отличаются. В данной работе удалось определить соответствие различных типов групп с сигналами в спектре 1Н-ЯМР полимера BOLTORN, используя методы одномерной и двумерной спектроскопии ЯМР (1Н-ЯМР, 13С-ЯМР, TOCSY, HMBC, HSQC). В ранее опубликованных статьях, посвящённых изучению структуры полиэфира BOLTORN методом спектроскопии ЯМР, присутствуют разногласия в отнесении, которые удалось разрешить, прибегнув к двумерным методам ЯМР [1, 2] .

Полилактидные группы дают сигналы в 1Н-ЯМР и 13С-ЯМР спектрах, близкие к сигналам самой молекулы BOLTORN, но вместе с тем отличные от них. При этом сигналы от внутренних и концевых звеньев цепей полилактида разрешены, а сигналы от молекулы BOLTORN теряют разделение по типам звеньев и представляются как дендридные. Это позволило сделать вывод о среднем числе и длине полилактидных цепей для разных образцов. К тому же методом DOSY было выявлено наличие двух подсистем молекул в образце с разными размерами. Сопоставляя с одномерными спектрами, был сделан вывод о наличии в системе свободноплавающих агрегатов из полилактидных групп .

Таким образом, в данной работе получена оценка числа и длины полиактидных цепей в производных BOLTORN. Так же получено отнесение пиков в спектре 1Н-ЯМР полиэфира BOLTORN с ядрами 1H в молекуле полимера. По полученным данным была определена степень разветвления полимера, которая составила 0,47 .

Литература

1. Karataeva F.Kh., Rezepova M.V., Kutyreva M.P., Kutyrev G.A., Ulakhovich N.A. Structure of Hyper-Branched Polyester Polyol BOLTORN H2O–COOH. NMR Data // Jhurnal Obshchei Khimii. 2010. V. 80. N. 9. P. 1513– 1517 .

2. Ema Zagar, Majda Zigon, Stepan Podzimek, Characterization of commercial aliphatic hyperbranched polyesters // Polymer. 2006. 47. P. 166–175 УДК 551.51 Исследование изменчивости характеристик тропопаузы в арктической зоне по данным радиозондирования С.А. Шаркова, М.Ю. Червяков Саратовский государственный университет им. Н.Г. Чернышевского Изменение характеристик тропопаузы косвенно зависит от потоков тепла в верхней и нижней тропосфере и нижней стратосфере [1, 2]. Информация об изменении структуры полярной тропопаузы имеет большое значение в условиях меняющегося климата арктического региона .

Тропопаузой называется переходный слой между тропосферой и стратосферой. Условно за тропопаузу принимается тот уровень тропосферы, на котором вертикальный градиент температуры убывает до 0,2 / 100 м или ниже [2] .

Метод аэрологического радиозондирования является основным для изучения характеристик свободной атмосферы. Наблюдения проводятся в 00:00 и 12:00 по Гринвичу, в результате которых получают данные о вертикальном распределении температуры, влажности, направлении и скорости ветра, а также о давлении воздуха .

В работе был использован архив данных радиозондирования для трех станций: Greenland Environmental Observatory at Summit (GEOSummit), аэрологические станции «Черский» и «НарьянМар» за период с 2012 по 2017 гг. Аэрологические данные находятся в свободном доступе на сайте Университета Вайоминга [3]. Для получения профиля вертикального распределения температуры и влажности в Гренландии использовались стандартные радиозонды Vaisala, а на станциях «НарьянМар» и «Черский» – радиозонды типа МРЗ. В ходе работы было проанализировано 3162 подъема .

В некоторые сроки данные отсутствуют в связи с отсутствием наблюдений или ограничением малой высоты подъема радиозонда .

В ходе исследования был проанализирован ход высоты нижней границы тропопаузы. В результате была выявлена зависимость изменения высоты тропопаузы от месяца года, синоптических условий и времени запуска радиозонда. Так, на станции GEOSummit в рассматриваемый период была отмечена максимальная высота тропопаузы в июле 2012 года (13,3 км), с температурой –66,5°C и минимальная высота в августе 2013 года (6,3 км), с температурой –42,7°C. Сезонная амплитуда высоты нижней границы тропопаузы составляет 2 км .

Наиболее часто встречающаяся температура на нижние границы тропопаузы за рассматриваемый период находилась в пределе от –53°C до –59°C. Температура на нижней границе тропопаузы изменяется от –35°C до –68°C. В течение сезона средние значения высоты и температуры равны 10 км и –56°C соответственно .

В ходе анализа данных была выявлена обратная зависимость высоты тропопаузы и значения температуры на этом уровне t = –679–H/200 (в формуле температура в градусах Цельсия, высота в метрах). Следовательно, чем выше расположена тропопауза, тем ниже значения температуры на ней [4] .

–  –  –

Литература Минина Л.С., Маклаков И. А. Колебания нижней границы тропопаузы в связи с изменением температуры .

1 .

Труды ЦИП. Вып. 137. 1964 .

Российский гидрометеорологический энциклопедический словарь / под ред. А.И. Бедрицкого. СПб. – М.:

2 .

Летний сад, 2009. - Т. 3. С. 21, 131 .

University of Wyoming College of Engineering [Электронный ресурс]: URL: http://w 3 .

eather.uwyo.edu/upperair/sounding.html Шаркова С.А., Червяков М.Ю. Изменение характеристик полярной тропопаузы в летний период по 4 .

данным радиозондирования // Материалы Международного молодежного научного форума «ЛОМОНОСОВ-2018» / Отв. ред. И.А. Алешковский, А.В. Андриянов, Е.А. Антипов. [Электронный ресурс] — М.: МАКС Пресс, 2018. — 1 электрон. опт. диск (DVD-ROM); 12 см. - Систем. требования:

ПК с процессором 486+; Windows 95; дисковод DVD-ROM; Adobe Acrobat Reader. – 1450 Мб. – 11 000 экз .

УДК 537.862 Амплитудно-частотные характеристики воздушно-резонансных трансформаторов Н. Тесла и классическая модель возникновения в них колебательных процессов И.С. Макаров, А.А. Орлов, В.Ю. Стожков Московский физико-технический институт (государственный университет) В настоящее время в ряде работ [1, 2, 3] описываются резонансные явления, происходящие в воздушно-резонансном трансформаторе Н.Тесла (ВРТ), и изучаются процессы колебаний тока и напряжения во вторичном контуре трансформатора Тесла в приближении последнего длинной линией с емкостной нагрузкой. На основании такого приближения заявляется наличие пучности стоячей волны на концентраторе вторичного контура ВРТ, чем объясняется появление весьма

–  –  –

УДК 536.421.4 Поиск парадокса Мпембы в процессе замерзания воды А.Е. Грязев1, Д.А. Панасюк2 Московский физико-технический институт (государственный университет) Tampere University of Technology Парадоксом Мпембы принято называть более быстрое замерзание изначально горячей воды по сравнению с изначально холодной водой в сходных условиях охлаждения. В то время как большая часть работ, посвященных этому явлению, сфокусированы на процессе охлаждения, например [1], в данной работе рассматривается исключительно замерзание. А именно проверке подлежало наличие разницы в удельных теплотах фазового перехода для «быстро» охлаждённой воды (~10 мин) и изначально холодной (~3 C), а также наличие разницы в коэффициентах теплопроводности .

Для определения относительной теплоты фазового перехода был использован стальной шар диаметром 5 см в качестве теплового резервуара. В центр шара была помещена термопара. В начале он охлаждался в сосуде с жидким азотом (момент окончания охлаждения фиксировался с помощью термопары: показания выходили на асимптоту), после чего помещался в предварительно охлаждённую до 0 C воду. На поверхности шара намерзал лёд, в то время как шар нагревался .

Момент окончания нагрева шара так же фиксировался с помощью термопары (второй спай помещался в льдоводяную смесь). По окончании процесса намерзания шар взвешивался на электронных весах. Вычитая массу шара (с термопарой и подвесом), можно определить массу намерзшего льда. Несмотря на высокую абсолютную погрешность метода измерения теплоты таким образом, относительная погрешность будет достаточной (менее 1%). Вода, над которой проводились измерения, была дистиллированной. Во время намерзания на шар, она находилась в сосуде, на стенках которого был лёд из этой же воды, чтобы не допустить её значительного нагрева относительно температуры фазового перехода (которая, разумеется, была близка к 0 C, но не равнялась ему в точности) .

До измерений вода хранилась в стеклянной таре, в которой потом же и нагревалась, и охлаждалась для проведения опытов с «быстро» охлаждённой водой. Следует отметить, что вода не подвергалась дегазации. Это важно, т.к. в одной из работ, посвящённых данному феномену [2], отмечалось сильное влияние наличия растворённого CO2. Нагрев производился до 75 C, после чего в течение времени порядка 10 минут вода охлаждалась до комнатной температуры путём помещения тары в льдоводяную смесь. Такой способ был предпочтительнее, например, погружения в азот, т.к. в оригинальной работе [3], как и в большинстве других, рассматривалось охлаждение в морозильной камере, в то время как ускорение охлаждения могло изменить возможные процессы, приводящие к парадоксу .

В табл. 1 можно видеть результат одной из серий опытов. В пределах погрешности средняя масса льда одинакова для изначально холодного и «быстро» охлаждённого состояния воды. Следует отметить, что наблюдение парадокса ожидалось в виде разницы не менее нескольких процентов, во-первых, потому что в оригинальной работе [3] разница была в десятки процентов, а во-вторых, из-за того, что наши первые и гораздо более грубые опыты по наблюдению этого парадокса при замерзании показывали его наличие с масштабом около 10% .

Основная часть работ, посвящённых парадоксу, была написана в период с мая 1969 [3] по декабрь 2016 гг. [1]. В научном сообществе не сложилось однозначной интерпретации сущности явления: из 22 рассмотренных работ в двенадцати ([1–12]) из них исследуется время, требуемое воде на охлаждение до 0 C. В двух ([13], [14]) авторы изучают и охлаждение и замерзание изначально холодных и изначально горячих образцов воды. Лишь в оставшихся восьми ([15] – [22]) работах парадокс рассматривается так же, как в данной (исключительно замерзание). Кроме того, в работах прослеживаются явные тенденции: в период с 1969 года и по 2010 год есть всего две работы, затрагивающие тему замерзания ([13], [14]), все остальные же исследуют только охлаждение. В то время как начиная с 2011 года и работы [15] рассматривалось исключительно замерзание воды с различной стартовой температурой, за исключением работы [1]. Подавляющее большинство авторов (все, кроме [1], [19]) пришло к выводу, что парадокс Мпембы наблюдается вне зависимости от того, какой именно процесс изучался: охлаждение, замерзание или же оба .

Таблица 1 Результаты одной из серий опытов Холодная Горячая Опыт Средняя Средняя М,г 104 102,6 103,7 103,0 103,7 103,2 103,6 103,3 103,5 dM, г 0,7 0,7 0,7 0,7 0,3 0,3 0,3 0,3 0,2 Литература

1. Henry C.B., Paul F.L. Questioning the Mpemba effect: hot water does not cool more quickly than cold // Scientific Reports 2016 .

2. Freeman M. Cooler still – an answer?// Phys. Educ. 1979. 14. 417 .

3. Mpemba E.B., Osborne D.G. Cool? // Phys. Educ. 1969. 4172 .

4. Ian F. Cooler?// Phys. Educ., 1971. 6. 32 .

5. Deeson E. Cooler - lower down // Phys. Educ. 1971. 6. 42 .

6. Walker J. Hot water freezes faster than cold water. Why does it do so?// Scientific American. 1977. Vol. 237 .

Issue 3 .

7. Osborne D.G. Mind on ice// Phys. Educ. 1979. Vol. 14 .

8. Monwhea J. The Mpemba effect: When can hot water freeze faster than cold?// Am. J. Phys. 2006. 74. 6 .

9. Gholaminejad A., Hosseini R. A study of water supercooling//Journal of Electronics Cooling and Thermal Control .

2013. 3. 1–6 .

10. Auerbach D. Supercooling and the Mpemba effect: When hot water freezes quicker than cold// Am. J. Phys. 1995 .

63 (10) .

11. Maija A. Investigation into the freezing of liquids// Phys. Educ. 1969. 4. 379 .

12. Katz J. I. When hot water freezes before cold// Am. J. Phys. 2009. 77. 27 .

13. Kell G.S. The Freezing of Hot and Cold Water// Am. J. Phys. 1969. 37. 564

14. Maciejewski P.K. Evidence of a Convective Instability Allowing Warm Water to Freeze in Less Time Than Cold Water// Journ. of Heat Transfer. 1996. Vol. 118 / 65 .

15. Brownridge J.D., When does hot water freeze faster then cold water? A search for the Mpemba effect // Am. J .

Phys. 2011. Vol. 79. N. 1 .

16. Jaehyeok J., William A. Mechanisms Underlying the Mpemba Effect in Water from Molecular Dynamics Simulations// J. Phys. Chem. C. 2015. 119. 26222629 .

17. Yunwen T., Wenli Z., Junteng J., Wei L., Dieter C. The Different Ways of Hydrogen Bonding in Water. Why Does Warm Water Freeze Faster than Cold Water?// J. Chem. Theory Comput. 2017. 13 (1). P. 55–76 .

18. Vynnycky M., Mitchell S. L. Evaporative cooling and the Mpemba effect// International Journal of Heat Mass Transfer. 2010. 46:881–890 .

19. Vynnycky M., Maeno N. Axisymmetric natural convection-driven evaporation of hot water and the Mpemba effect// International Journal of Heat and Mass Transfer. 2012. 55. 7297–7311 .

20. Zhang X.,Huang Y.,Ma Z., Sun C.Q. O:H-O Bond Anomalous Relaxation Resolving Mpemba Paradox// PCCP .

2014. 16(42): 22995–23002 .

21. Vynnycky M., Kimura S. Can natural convection alone explain the Mpemba effect?// International Journal of Heat and Mass Transfer. 2015. 80. 243–255 .

22. Ahn Y.-H., Kang H., Koh D.-Y., Lee H. Experimental verifications of Mpemba-like behaviors of clathrate hydrates// Korean J. Chem. Eng. 2016. 33: 1903 .

УДК 538.913 Применение алгоритма Метрополиса с использованием имитации ударной волны для моделирования наночастиц сплава Cu–Ni К.М. Кызыл-оол, Г.И. Лапушкин Московский физико-технический институт (государственный университет) Наночастицы сплавов могут проявлять магнитные, каталитические и оптические свойства, причем свойства могут сильно отличаться от таковых для обычных сплавов. Интерес к наночастицам Cu–Ni различного состава обусловлен его каталитическими свойствами. Было, например, показано [1], что сплавы Cu–Ni с развитой поверхностью имеют заметно большую каталитическую активность при окислении СО, чем чистые никель или медь. Подобные сплавы также успешно были использованы для каталитического роста графена [2] .

Сложность задачи заключается в том, что для наночастиц, содержащих всего несколько тысяч атомов (и даже менее), обычный термодинамический расчёт неприменим, а поиск минимума свободной энергии простым перебором затруднён в силу большого объёма расчетов, поэтому применяются различные способы ускорения сходимости расчётов. Наночастицы из меди и никеля в различных соотношениях были детально изучены в работе [3], там использована довольно сложная расчётная модель и успешно получены результаты по расчёту таких микрокристаллов .

Недостатком этой работы, на наш взгляд, является то, что высокая степень сложности модели часто существенно ограничивает её применимость .

Целью нашей работы была попытка попробовать выполнить расчёты, аналогичные [3], но с помощью существенно более простой модели, и в случае успеха сравнить расчётные данные с экспериментальными. Модель, которую мы использовали, подробно описана в работах [4, 5] .

Расчёт по заданной конфигурации наночастицы из атомов Ni и Cu моделирует релаксацию методом Монте-Карло, используя парный потенциал Морзе. В основе алгоритма моделирования используется алгоритм Метрополиса. На рис. 1 показаны результаты расчетов в сравнении этих двух моделей, в обоих случаях содержатся 434 атома в наночастице .

Были проделаны расчеты в широком диапазоне составов сплава, результат приведен в табл. 1. Для сравнения приведены экспериментальные данные по сплавам такого состава из работы [6]. Измерения проводились с помощью двойной дифференциальной термоячейки .

–  –  –

Рис. 1. Результаты расчета. Слева направо: внешний вид наночастицы, содержащей 50% Ni, оранжевым показаны атомы меди; внутренний вид той же наночастицы, атомы меди полупрозрачные, атомы Ni зелёные; результат расчета по более сложной модели из работы [3], атомы меди показаны точками, атомы никеля – оранжевыми шариками Рис. 2. Соотношение экспериментально измеренной активности меди для наночастиц разного состава и приповерхностной концентрации меди согласно нашим расчётам Литература

1. Vesselli E., Monachino E., Rizzi M., ets. Steering the Chemistry of Carbon Oxides on a NiCu Catalyst // ACS Catal. 2013. V. 3. P. 1555 .

2. Chen S., Cai W., Piner R. D., ets. Synthesis and Characterization of Large-Area Graphene and Graphite Films on Commercial Cu-Ni Alloy Foils // Nano Lett. 2011. V. 11. P. 3519 .

3. Panizon E., Jimena A.O., Peressib M., ets. Study of structures and thermodynamics of CuNi nanoalloys using a new DFT-fitted atomistic potential // Phys. Chem. Chem. Phys. 2015. V. 17. P. 28068 .

4. Красильников М.П., Кызыл-оол К.М. Модификация алгоритма метрополиса моделирования наносплава имитацией ударной волны // Региональная экономика: технологии, экономика, экология и инфраструктура Материалы 2-й Международной научно-практической конференции. 2017. С. 244–250 .

5. Кызыл-оол К.М., Красильников М.П. Программа решёточного имитационного моделирования упрочения наносплава ударной волной: Свид-во о гос. регистрации программ для ЭВМ N. 2017615239 .

Зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 10.05.2017 г .

6. Stricans S., Jacob K.T. Thermodynamic properties of Cu-Ni alloys: measurements and assessment// Materials Science and Technology. 1989. V. 5. P. 427 .

–  –  –

Литература

1. Wei Q.H., Bechinger C., and Leiderer P. // Science. 2000. 287. 625 .

2. Cui B.X., Diamant H., and Lin B.H. // Phys. Rev. Lett. 2002. 89. 188302 .

3. Ben-Naim E. Mixing of diffusing particles // Phys. Rev. E. 82. 061103 .

Петров В.В. Суммы независимых случайных величин. М.: Наука, 1972. – 416 с .

4 .

5. The On-Line Encyclopedia of Integer Sequences, http://oeis.org/A008302

6. The On-Line Encyclopedia of Integer Sequences, http://oeis.org/A000140

7. The On-Line Encyclopedia of Integer Sequences, http://oeis.org/A181609 Margolius B.H. Permutations with inversions // J. Integ. Seqs. 2001. Vol. 4. #01.2.4 .

СЕКЦИЯ ФОТОНИКИ И ДВУМЕРНЫХ

МАТЕРИАЛОВ

–  –  –

УДК 535.371 Механизмы передачи и релаксации электронного возбуждения в комплексах Sm(III) с лигандным окружением из класса -дикетонатов Д.А. Комиссар1, М.Т. Метлин2, C.А. Амброзевич 1,2,4, А.С. Тобохова1,2, И.В. Тайдаков1,2, Ю.А. Белоусов2,3 Московский физико-технический институт (государственный университет)

–  –  –

Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана В работе изучены люминесцентные свойства -дикетонатных комплексов на основе иона Sm(III). С помощью спектроскопических измерений удалось установить структуру энергетических уровней и переходы, принимающие участие в люминесценции редкоземельного иона .

Комплексы лантанидов с различными органическими лигандами зачастую обладают интересными люминесцентными свойствами, что связано с так называемым «антенным эффектом», сущность которого заключается в поглощении возбуждающего излучения органической частью молекулы и последующей передаче энергии на центральный ион [1–3]. Благодаря этому эффекту удается решить проблему малого сечения поглощения свободных ионов Ln(III) и многократно увеличить интенсивность люминесценции. Исследуемые соединения могут представлять интерес для создания эмиссионных и вспомогательных слоев в различных оптоэлектронных устройствах .

В спектрах фотолюминесценции различных комплексов (1–3) в видимой (рис. 1) и инфракрасной (рис. 2) спектральных областях наблюдались несколько максимумов. Наиболее интенсивные полосы люминесценции комплексов лежат в областях 650 нм и 950 нм, что соответствует переходам 4G5/2 6 H 9/2 (648 нм) и 4G5/2 6 F5/2 (952 нм) в ионе Sm(III) [4] .

При исследовании временных зависимостей релаксации люминесценции соединений самария(III) (рис. 3) с помощью деконволюции экспериментальных данных методом Левенберга– Марквардта были выделены два элементарных процесса затухания с характерными временами 10 мкс и 50 мкс. Длительная компонента, скорее всего, соответствует процессу передачи электронного возбуждения на ион Sm(III) и его люминесценции, а короткое время, по-видимому, соответствует флуоресценции лиганда .

Рис. 1. Спектры фотолюминесценции различных металлоорганических комплексов на основе иона Sm(III) (1–3) при оптическом возбуждении 365 нм (3.4 eV)

–  –  –

Рис. 3. Временные зависимости интенсивности люминесценции при импульсном возбуждении 355 нм (3.49 eV) комплекса 1 при регистрации в области 952 нм Литература

1. Binnemans K. Rare earth betadiketonates // Handbook of the Physics and Chemistry of Rare Earths. New York:

Elsevier, 2005. V. 35. P. 107 .

2. Eliseeva S.V., Bnzli J.C.G. // Chem. Soc. Rev. 2010. V. 39. P. 189 .

3. Binnemans K. // Chem. Rev. 2009. V. 109. P. 4283 .

4. Pushkarev A.P., Yablonsky A.N., Yunin P.A., Burin M.E., Andreev B.A., Bochkarev M.N. Features of spectral properties of Sm3 + complexes with dithia- and diselenophosphinate ligands // Spectrochim. Acta, Part A. 2016 .

V. 163. P. 134 – 139 .

УДК 538.958, 538.97 Проявление магнитоплазменных колебаний в 2D электронном газе в поглощении электромагнитных волн Д.А. Родионов, И.В. Загороднев Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН Московский физико-технический институт (государственный университет) Рассмотрено прохождение монохроматической плоской электромагнитной (ЭM) волны в двух поляризациях (s-поляризация – вектор напряжённости электрического поля перпендикулярен плоскости падения, p-поляризация – параллелен) через двумерный электронный газ (2DЭГ) в постоянном магнитном поле с проводимостью в модели Друде. Коэффициент поглощения для sполяризации имеет вид

–  –  –

время релаксации, e – элементарный заряд ( e 0 ), m – масса электрона; = – приведенная частота падающей волны; c = c – приведённая циклотронная частота c = eH / (mc), где H – внешнее постоянное магнитное поле, c – скорость света в вакууме. Для p-поляризации выражение коэффициента поглощения получается при замене cos sec в (1) .

Косинус угла, доставляющего максимум поглощения в s-поляризации, при 1, c 1 может быть найден по формуле

–  –  –

Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда, проект № 16-12-10411 .

Литература

1. Volkov V.A., Zabolotnykh A.A. Undamped relativistic magnetoplasmons in lossy two-dimensional electron systems // Phys. Rev. B 94. 2016. P. 165408 .

2. Fal’ko V.I. and Khmel’nitskii D.E. What if a film conductivity exceeds the speed of light? // Zh. Eksp. Theor. Fiz .

1988 (1989). 95. P. 1150–1152 .

–  –  –

Создание компактного широкополосного фотодетектора с малым временем фотоотклика для ближнего и среднего инфракрасного диапазона – актуальная задача современной физики. Такие фотодетекторы могут применяться для сверхбыстрого и сверхчувствительного детектирования, спектроскопии и коммуникаций. Сейчас для создания таких приборов используются графен и другие двумерные материалы за счет их способности поглощать электромагнитное излучение от ультрафиолетового до терагерцевого диапазона частот. Принцип действия приборов на их основе заключается в том, что электроны в графене, поглощая фотоны, могут переходить из валентной зоны в зону проводимости, то есть рождаются электрон-дырочные пары, а значит, изменяется сопротивление, которое и детектируется прибором [1]. Сложность заключается в том, что графен поглощает около 2.3% падающего на него излучения, в результате чувствительность таких детекторов составляет порядка сотых долей А/Вт. Для усиления фотоотклика используются квантовые точки, хорошо поглощающие оптическое излучение в рассматриваемом диапазоне частот [2], при этом чувствительность составляет до 107 А/Вт, однако ширина рабочей области спектра сужается: верхняя граница по длине волны составляет 1000–1600 нм. Также используются металлические наночастицы, которые поглощают детектируемое излучение за счет возбуждения локализованного плазмонного резонанса [3], в таком случае чувствительность меньше – 104 А/Вт, но при этом легко получить диапазон детектирования в любой области спектра, подобрав соответствующий размер наночастицы .

В данной работе рассмотрен полевой транзистор (рис. 1а), выполненный на подложке из кремния со слоем термического диоксида кремния толщиной 280 нм, с расположенными на нем золотыми электродами, на которые электрохимическим методом [4] перенесен графен .

Сопротивление графена зависит от концентрации носителей зарядов в нем, которой можно управлять, изменяя напряжение на затворе:

0U n =, (1) ed где n – концентрация электронов в графене (наведенная за счет напряжения на затворе), 0 – диэлектрическая проницаемость вакуума, – диэлектрическая проницаемость диэлектрика (SiO2), d

– его толщина, U – напряжение на затворе. Зависимость тока между истоком и стоком транзистора от напряжения на затворе приведена на рис. 1б. При изменении концентрации носителей, то есть изменении напряжения на затворе, изменяется ток между электродами. Максимум сопротивления соответствует случаю, когда концентрация носителей заряда минимальна, то есть когда дираковская точка совпадает с энергией Ферми. Стоит отметить, что на данной зависимости наблюдается гистерезис, связанный в основном с наличием на графене ленгмюровского слоя молекул воды, обладающих дипольным моментом и влияющих на потенциал поверхности. Для достижения заметного изменения тока при облучении светом необходимо увеличить взаимодействие электромагнитного излучения с графеном. С этой целью на графен были нанесены наночастицы золота (со средним диаметром 50 нм). На рис. 2 представлены зависимости тока от напряжения на затворе с наночастицами и без для двух образцов. Видно, что при нанесении наночастиц кривая заметно сдвинулась в область отрицательных напряжений, что подтверждает влияние наночастиц на эффективность взаимодействия электромагнитного излучения c графеном. В докладе будут представлены результаты измерений фототока полевых транзисторов на основе графена с различными металлическими наночастицами, а также перспективы увеличения чувствительности и расширения рабочего диапазона фотодетекторов за счет использования периодических плазмонных структур .

–  –  –

Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 18-37-20061 мол_а_вед .

Литература

1. Park J., Ahn Y.H. and Ruiz-Vargas C. Imaging of photocurrent generation and collection in single-layer graphene // Nano Letters. 2009. V. 9. P. 1742–1746 .

2. Konstantatos G., Badioli M., Gaudreau, L., Osmond J., Bernechea M., De Arquer F.P.G., Koppens F.H.L. Hybrid graphene quantum dot phototransistors with ultrahigh gain // Nature Nanotechnology. 2012. V. 7(6). P. 363–368 .

3. Liu Y., Cheng R., Liao L., Zhou H., Bai J., Liu G., Duan X. Plasmon resonance enhanced multicolour photodetection by graphene // Nature Communications. 2011. V. 2(1). P. 577–579 .

4. Wang Y., Zheng Y., Xu X., Dubuisson E., Bao Q., Lu J. and Loh, K.P. Electrochemical delamination of CVD grown graphene film: toward the recyclable use of copper catalyst SI // ACS Nano. 2011. V. 12. P. 1–10 .

УДК 53.043 Оценка влияния окружающей среды на оптические свойства тонких пленок меди М.С. Миронов Московский физико-технический институт (государственный университет) Если в области электроники медь является фактически основным металлом, то в области нанофотоники (плазмоника, метаматериалы и метаповерхности), где в большинстве случаев рассматриваются незащищенные от окружающей среды системы, медь только начинает привлекать внимание исследователей [1, 2]. Применение тонких пленок меди (20–200 нм) ограничено из-за образования на поверхности оксидной пленки в результате взаимодействия с атмосферным воздухом. Для решения этой проблемы пленки меди покрываются защитными диэлектрическими слоями нанометровой толщины или графеном .

В докладе будут представлены результаты исследования оптического отклика тонких пленок меди (толщиной 50 нм) в атмосферном воздухе с течением времени. Исследования проводились с помощью призменного метода возбуждения поверхностных плазмон поляритонов в классической геометрии, так называемой геометрии Кретчмана (рис. 1), в которой реализуется явление поверхностного плазмонного резонанса (ППР) [3]. В используемой схеме луч лазера (1) после поляризатора (2) падает на призму (3) на которой закреплен исследуемый образец – стеклянная пластинка с тонкой пленкой меди (6). Отраженный свет с помощью линзы (4), компенсирующей разность угловых скоростей поворота призмы и поворота отраженного луча, попадает на фотодетектор (5), сигнал с которого поступает на ПК. Поворот призмы осуществляется при помощи наноротатора с компьютерным управлением. В результате на ПК появляются данные о положении наноротатора и уровне сигнала на детекторе, т. е. интенсивность отраженного излучения от угла падения. Наблюдение за окислением медной пленки проводились в течении 24 дней с логарифмическим масштабом во времени .

Рис. 1. Принципиальная схема установки возбуждения ППР .

Литература

1. Fedyanin D.Yu., Yakubovsky D.I., Kirtaev R.V., Volkov V.S. Ultralow-loss CMOS copper plasmonic waveguides // Nano Letters. 2016. V. 16. P. 362–366 .

2. Stebunov Yu.V., Yakubovsky D.I., Fedyanin D.Yu., Arsenin A.V., Volkov V.S. Superior sensitivity of copperbased plasmonic biosensors // Langmuir. 2018. V. 34(15). P. 4681–4687 .

3. Kretschmann E. Die Bestimmung optischer Konstanten von Metallen durch Anregung von Oberflchenplasmaschwingungen // Z. Physik. 1971. V. 241. P. 313–324 .

–  –  –

Металлы играют важнейшую роль в современной нанооптике, благодаря тому, что плазмонные резонансы, возникающие в металлических наночастицах, позволяют беспрецендентно локализовать свет. Способность преодолеть дифракционный предел обеспечивает значительное усиление взаимодействия света с веществом даже несмотря на крайне низкую добротность резонансов в сравнении с модами в широко распространенных диэлектрических резонаторах. В то же время, резонаторы, работающие в промежуточном режиме со средними значениями модового объема и добротности, могут быть реализованы за счет гибридных плазмон-фотонных мод. Один из наиболее интересных способов добиться этого – помещение плазмонных наночастиц в регулярную решетку. За счет взаимодействия друг с другом посредством фотонов локализованные плазмонные резонансы гибридизуются и образуют спектр решеточных плазмонных резонансов. Такие резонансы уже имеют свою дисперсию, а главное обладают значительно большей добротностью, чем обычные плазмонные разонансы. Уникальные свойства таких систем позволяют использовать их в биосенсорах [1], направленных источниках света [2], перестраиваемых устройствах [3] и многих других целях [4] .

В то же время численный расчет распространения света в подобных структурах затруднен .

Такие универсальные методы как метод конечных элементов (FEM) или метод конечных разностей во временной области (FDTD) способны рассчитать любые периодические структуры, но при этом требуют очень много времени и вычислительных ресурсов. Расчет дисперсии с хорошим разрешением или оптимизация параметров структуры в таких условиях становятся крайне сложной задачей. Специализированный фурье-модальный метод (RCWA), предназначенный для описания периодических структур неспособен справиться с плазмонными решетками ввиду того, что необходимо учитывать много дифракционных порядков для описания локального высокоградиентного поля локализованных плазмонных резонансов. В этой работе мы предлагаем использовать для описания плазмонных решеток сочетание трех специализированных методов. Для нахождения тензора поляризуемости единичной изолированной частицы используется специализированный для ближнепольных расчетов метод конечных элементов (FEM). Для согласования поляризации частиц в решетке и расчета эффективной поляризуемости частицы используется метод связанных диполей DDA. Для окончательного нахождения матрицы рассеяния плазмонной решетки и дальнейшего ее использования при рассмотрении слоистой структуры применяется фурье-модальный метод (RCWA). Использование каждого из методов по его прямому назначению делает расчеты наиболее быстрыми и точными, что позволяет рассчитывать зонные структуры слоистых периодических структур, которые включают плазмонные решетки, находящиеся внутри или на границе двух однородных сред. На рис. 1б–в показаны спектры экстинкции решетки золотых нанодисков, рассчитанные нашим методом. На спектрах хорошо видны дисперсии решеточных плазмонных резонансов различных поляризаций, а также аномалии Рэлея .

Рис. 1. (а) Решетка плазмонных частиц в однородном слое. (б–в) Спектр экстинкции (1-T) квадратной решетки с периодом 350 нм из золотых нанодисков диаметром 60 нм и высотой 30 нм в однородной среде с коэффициентом преломления 1.52. Плоскость падения проходит через ось трансляции решетки, на рисунке (б) изображен спектр s-поляризации, а на рисунке (в) p-поляризации .

Литература

1. Shen Y., Zhou J., Liu T., Tao Y., Jiang R., Liu M., Xiao G., Zhu J., Zhou Z.-K., Wang X., Jin C., and Wang J .

Plasmonic gold mushroom arrays with refractive index sensing figures of merit approaching the theoretical limit // Nat. Commun. 2013. V. 4. P. 2381 .

2. Guo R., Derom S., Vkevinen A.I., van Dijk-Moes R.J.A., Liljeroth P., Vanmaekelbergh D. and Trm P .

Controlling quantum dot emission by plasmonic nanoarrays // Opt. Express. 2015. V. 23. P. 28206 .

3. Yang A., Hryn A.J., Bourgeois M.R., Lee W.-K., Hu J., Schatz G.C. and Odom T.W. Programmable and reversible plasmon mode engineering // Proc. Natl. Acad. Sci. 2016. V. 113. P. 14201 .

4. Rajeeva B., Lin L. and Zheng Y. Design and applications of lattice plasmon resonances // Nano Res. 2018 .

V. 11. P. 4423 .

УДК 535.8 Исследование митохондрий методом спектроскопии гигантского комбинационного рассеяния С.М. Новиков1, Н.А. Браже2, Э.И. Никельшпарг2, А.А. Семенова2, Е.А. Гудилин2, Ж.В. Бочкова2, Л.И. Деев2, А.А. Байжуманов2, Г.В. Максимов2 Биохимические процессы, происходящие в клетках/органеллах на ранних стадиях возникновения патологий, не поддаются диагностике современными методами из-за низких концентраций «участвующих» молекул или незначительных конформационных изменений в белках, появляющихся при развитии патологий. Спектроскопия гигантского комбинационного рассеяния (ГКР) идеальный инструмент для работы с молекулами при низких концентрациях [1, 2], позволяющий отследить появление конформационных изменений, вызванных патологией. За счет определенной геометрии поверхности плазмонных наноструктур и ее наноструктурирования (нанесения наночастиц на ее поверхность) возможно получить значительное усиление ближнего поля. Используя различную форму, размер, материал наночастиц, а также плотность нанесения и распределение (периодическое или случайное) можно контролировать положение резонансов и величину усиления [3] .

Селективное и чувствительное исследование компонентов электронной транспортной цепи (ЭTC) в функциональных митохондриях имеет важное значение для фундаментальных биофизических исследований и разработки новых методов медицинской диагностики. В настоящее время флуоресцентная микроскопия, абсорбционная спектроскопия и регистрация потребления O2 обеспечивают только косвенную информацию об окислительно-восстановительном состоянии комплексов ЭTC в митохондриях. Мы предлагаем новый безмаркерный метод, основанный на спектроскопии ГКР для мониторинга конформационных изменений и окислительновосстановительного состояния цитохрома c в ЭTC функциональных митохондрий [4]. Было продемонстрировано, что различные иерархические серебряные наноструктуры обеспечивают высокоинтенсивное усиление комбинационного рассеяния цитохрома c в митохондриях, не влияя на их морфологию и дыхание [5]. Зарегистрированные спектры SERS показывают набор характерных пиков при 750, 1127, 1170, 1371, 1565, 1585 и 1638 см–1, что является следствием нормальных групповых колебаний пиррольных колец, монокристаллов и боковых радикалов в молекулах гемма. Было показано, что спектры ГКР цитохрома c в митохондриях чувствительны к активности транспорта электронов, скорости синтеза АТФ, потенциала митохондриальной мембраны, морфологии митохондрий и активности комплексов ЭTC. Было показано, что при использовании лазерного возбуждения с различной длиной волны можно выполнять высокочувствительный и селективный: (1) мониторинг окислительно-восстановительных переходов в цитохроме c ( = 488 нм); (2) исследование изменений конформации и подвижности в цитохроме c ( = 514 и 532 нм) и (3) исследование окислительно-восстановительных и конформационных свойств цитохромов a/a3 ( = 632.8 нм лазерное возбуждение). Впервые было продемонстрировано, что спектры ГКР цитохрома c в функциональных митохондриях сердца различаются у здоровых и спонтанно гипертензивных крыс. Это открывает новые возможности для разработки диагностических инструментов на базе ГКР для прогнозирования развития сердечнососудистых заболеваний .

Данная работа поддержана грантом Российского научного фонда №18-19-00684 .

Литература

1. Beermann J. [et al.]. Surface-enhanced Raman imaging of fractal shaped periodic metal nanostructures // J. Opt .

Soc. Am. B. 2009. 26. 2370 .

2. Etchegoin P.G. [et al.]. Resolving single molecules in surface-enhanced Raman scattering within the inhomogeneous broadening of Raman peaks // Ann. Chem. 2010. 82. 2888–92 .

3. Maier, S. A. [et al.]. Plasmonics - a Route to Nanoscale Optical Devices // Adv. Mater. 2001. 13. 15011505 .

4. Brazhe N.A [et al.]. Probing cytochrome c in living mitochondria with surface-enhanced Raman spectroscopy // Scientific Reports. 2015. 5. 13793. | DOI: 10.1038/srep13793 .

5. Sarycheva A.S, Brazhe N.A. [et al.]. New nanocomposites for SERS studies of living cells and mitochondria // J. Mater. Chem. B. 2016. 4. 539–546. | DOI: 10.1039/c5tb01886b .

УДК 535 Когерентность металл-полупроводниковых нанолазеров А.А. Вишневый, Д.Ю. Федянин Московский физико-технический институт (государственный университет) Достигнутый прогресс в области фабрикации наноструктур десятилетие назад привел к появлению нового типа источников когерентного излучения – нанолазеров, обладающих физическими и модовыми размерами, сопоставимыми с их рабочей длиной волны. Из-за малых размеров резонатора частоты его соседних собственных мод заметно отличаются, что приводит к тому, что основная доля спонтанного излучения ( 0.1) из активной области приходится на основную лазерную моду. Характеристики нанолазеров заметно отличаются от таковых у макроскопических структур, в частности, на выходной характеристике порог не является резким, а иногда и вовсе отсутствует [1] (беспороговая лазерная генерация); темп спонтанной эмиссии из усиливающей среды сильно модифицирован по сравнению с однородной объемной средой (эффект Парселла). Эти особенности ставят проблему: какие положения теории лазеров также верны для нанолазеров, а также как определить положение порога в «беспороговых» нанолазерах .

В данной работе мы изучаем когерентность второго рода излучения металлполупроводниковых нанолазеров и показываем, что в нанолазерах при больших токах накачки достигается когерентное состояние, как и макролазерах. Однако, в отличие от последних, переход к когерентному состоянию происходит не в окрестности порога выходной характеристики, а при значительной большей силе тока или мощности накачки .

Работа поддержана грантом РНФ 17-79-10488 и грантом Президента Российской Федерации MK-2602.2017.9 .

Литература

1. M. Khajavikhan [et al.]. Thresholdless nanoscale coaxial lasers // Nature. 2012. 482. 204–207 .

УДК 533.922 Эффект суперинжекции в широкозонных полупроводниках И.А. Храмцов, Д.Ю. Федянин Московский физико-технический институт (государственный университет) В настоящее время широкозонные полупроводники находят свое применение в совершенно новых областях, таких как, например, однофотонные источники на основе центров окраски, работающие при электрической накачке [1, 2]. Для такого класса устройств крайне необходимо создать высокую концентрацию носителей заряда вблизи центра окраски, ведь от этого зависит скорость генерации фотонов при электрической накачке [3]. Однако в широкозонных полупроводниках часто возникают проблемы с созданием высокой концентрации свободных электронов или дырок из-за их высокой энергии активации и сильных эффектов компенсации основных примесей. Данный факт ограничивает максимальную скорость генерации фотонов при электрической накачке, что останавливает развитие электрически накачиваемых однофотонных источников на основе центров окраски в широкозонных полупроводниках .

В этой работе мы демонстрируем эффект суперинжекции в гомоструктурах на основе широкозонных полупроводников, про который ранее было известно, что он существует лишь в полупроводниковых гетероструктурах. Данный эффект позволяет инжектировать на порядки больше «проблемных» носителей, чем их число при равновесии. Это приводит к значительному увеличению скорости генерации фотонов центром окраски .

Работа выполнена при поддержке гранта Президента Российской Федерации MKи Министерства образования и науки Российской Федерации (8.9898.2017/6.7) .

Литература

1. Choi S., Berhane A.M., Gentle A., Ton-That C., Phillips M.R. and Aharonovich I. Electroluminescence from localized defects in zinc oxide: toward electrically driven single photon sources at room temperature // ACS Appl. Mater. Interfaces. 2015. 7. 5619–5623 .

Lohrmann A., Iwamoto N., Bodrog Z., Castelletto S., Ohshima T., Karle T.J., Gali A., Prawer S., 2 .

McCallum J.C. and Johnson B.C. Single-photon emitting diode in silicon carbide // Nat. Commun. 2015. 6 .

7783 .

3. Fedyanin D.Y. and Agio M. Ultrabright single-photon source on diamond with electrical pumping at room and high temperatures // New J. Phys. 2016. 18. 073012 .

УДК 53 Управление зарядовым состоянием дефектов в алмазе и карбиде кремния И.А. Храмцов, Д.Ю. Федянин Московский физико-технический институт (государственный университет) Многие центры окраски в широкозонных полупроводниках обладают электронным спином, который можно использовать в квантовой метрологии или квантовых вычислениях [1]. Однако спиновые свойства точечного дефекта, коим является центр окраски, сильно зависят от его зарядового состояния. Поэтому необходимо управлять зарядом дефекта. Наиболее перспективным способом контроля зарядовых состояний центра окраски является его интеграция в электронное устройство, где с помощью электрического поля можно было бы управлять квазиуровнями Ферми как для электронов, так и для дырок и переключать или стабилизировать необходимое состояние. К настоящему моменту такой способ был экспериментально продемонстрирован на азотновакансионном комплексе в алмазе [2]. Однако реализация электрического контроля зарядового состояния дефектов в карбиде кремния, который, так же как и алмаз, содержит множество центров окраски с уникальными оптическими и магнитными свойствами, до сих пор не была показана .

В этой работе мы показываем, что возможно управление зарядового состояния дефектов в карбиде кремния .

Работа выполнена при поддержке гранта Президента Российской Федерации MKи Министерства образования и науки Российской Федерации (8.9898.2017/6.7) .

Литература

1. Atatre M., Englund D., Vamivakas N., Lee S.-Y. and Wrachtrup J. Material platforms for spin-based photonic quantum technologies // Nature Reviews Materials. 2018. 3. 38–51 .

2. Doi Y., Makino T., Kato H., Takeuchi D., Ogura M., Okushi H., Morishita H., Tashima T., Miwa S., Yamasaki S., Neumann P., Wrachtrup J., Suzuki Y. and Mizuochi N. Deterministic Electrical Charge-State Initialization of Single Nitrogen-Vacancy Center in Diamond // Phys. Rev. X. 2014. 4 .

УДК 535-46 Спектральная эллипсометрия двумерного MoS2 – анализ экситонных эффектов Г.А. Ермолаев1,2, Д.И. Якубовский1, Ю.В. Стебунов1, А.В. Арсенин1, В.С. Волков1,3 Московский физико-технический институт (государственный университет)

–  –  –

Двумерные дихалькогениды переходных металлов (MoS2, MoSe2, WS2, WSe2 и другие) вызывают большой интерес среди исследователей благодаря их необычным физическим свойствам и многообещающим приложениям в нанофотонике и оптоэлектронике (ван-дер-ваальсовы гетероструктуры, полевые транзисторы, фотодетекторы и электролюминесцентные устройства) [1] .

При этом оптические свойства одних и тех же двумерных материалов могут сильно различаться, например, в зависимости от способа получения (механическое разделение или химическое осаждение из газовой фазы) и материала подложки (графен, h-BN, металл или диэлектрик) [1] .

В рамках настоящей работы для определения оптических констант использован метод спектральной эллипсометрии, который позволяет получать точные (вплоть до 0,1%) значения диэлектрических констант. К настоящему времени опубликовано около трех десятков работ, посвященных эллипсометрии двумерных дихалькогенидов переходных металлов и в особенности MoS2 [2, 3]. Предложенные в этих работах подходы требуют большого числа дисперсионных параметров среды, например, как в случае работы [3], где количество модельных параметров для описания эллипсометрического спектра (в диапазоне энергий от 1,2 до 6 эВ) равняется 26 .

Использование такого большого числа модельных параметров может привести к физически неправильному результату. В докладе предложена физическая модель и алгоритм для анализа эллипсометрического спектра отражения для монослоя MoS2, выращенного на подложке SiO2/Si методом химического осаждения из газовой фазы. Исследования выполнены с помощью спектрального эллипсометра Woollam VASE в диапазоне длин волн от 366 до 3300 нм с шагом 2 и 5 нм и широком интервале углов от 30° до 70°. При анализе спектров учитывалось, что значительный вклад в оптический отклик дают экситонные эффекты [2], а в рассматриваемом интервале длин волн это так называемые A, B и C-экситоны (зонная структура MoS2 представлена на рис. 1 [4]).

Данные экситоны связаны с различными межзонными переходами, поэтому их можно описать независимо дисперсионной функцией осциллятора Таук–Лоренца (1):

A Eo C ( E E g ) 1 =, E Eg, ( E 2 E02 ) + C 2 E 2 E

–  –  –

В данном представлении диэлектрическая функция MoS2 является суммой трех функций. В физический смысл, например, 0 положение критической точки зонной структуры MoS2 .

данном случае для описания спектра требуется всего 10 параметров, причем каждый из них имеет Результаты анализа спектров эллипсометрии представлены на рис. 2, где для подтверждения полученных результатов приведены значения диэлектрических констант точного решения обратной задачи эллипсометрии, то есть когда каждая точка спектра рассматривается как независимая. На рис. 2б представлены результаты анализа спектров, полученные с малым шагом снятия спектра – 5 нм. Видно, что даже при уменьшении количества данных результат получается удовлетворительным, но с небольшой потерей точности. Стоит отметить, что предлагаемый подход универсален и может быть использован для исследования других двумерных дихалькогенидов переходных металлов, так как их оптические свойства также преимущественно определяются экситонными эффектами .

Рис. 1. Зонная структура двумерного MoS2 [4]

Рис. 2. Диэлектрическая проницаемость двумерного MoS2, полученная с помощью спектральной эллипсометрии с шагом 2 нм (а) и 5 нм (б). Моделирование суммой функций Таук–Лоренца представлено синим цветом, а точное решение обратной задачи эллипсометрии представлено зеленым цветом Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 18-37-20061 мол_а_вед .

–  –  –

1. Wang Q.H., Kalantar-Zadeh K., Kis A., Coleman J.N., and Strano M.S. Electronics and optoelectronics of twodimensional transition metal dichalcogenides // Nature Nanotechnology. 20012. 7(11). 699–712 .

https://doi.org/10.1038/nnano.2012.193

2. Yu Y., Yu Y., Cai Y., Li W., Gurarslan A., Peelaers H., Cao L. [et al.] Exciton-dominated Dielectric Function of Atomically Thin MoS2 Films. // Scientific Reports. 2015. 5(1). 16996. https://doi.org/10.1038/srep16996

3. Liu H.L., Shen C.C., Su S.H., Hsu C.L., Li M.Y. and Li L.J. Optical properties of monolayer transition metal dichalcogenides probed by spectroscopic ellipsometry. // Applied Physics Letters. 2014. 105(20) .

https://doi.org/10.1063/1.4901836

4. Despoja V., Rukelj Z. and Marui L. Ab initio study of electronic excitations and the dielectric function in molybdenum disulfide monolayer. // Physical Review B. 2016. 94(16), 1–10 .

https://doi.org/10.1103/PhysRevB.94.165446 УДК 535.016 Высокочувствительные оптические биосенсоры на основе металл-диэлектрических интерфейсов и адсорбционных поверхностей из двумерных материалов Ю.В. Стебунов1, Д.И. Якубовский1, А.В. Арсенин1, В.С. Волков1,2 Московский физико-технический институт (государственный университет)

Университет Южной Дании

Использование двумерных материалов при создании биосенсорных интерфейсов позволяет повысить их чувствительность и надежность, а также делает их производство более технологичным .

В предлагаемом докладе будут рассмотрены оптические безмаркерные биосенсоры на основе поверхностного плазмонного резонанса (ППР), использующие адсорбционные матрицы на основе двумерных материалов [1]. В настоящее время существуют сотни двумерных материалов, имеющих большую площадь поверхность и уникальные оптические и биохимические свойства. Однако лишь несколько из них использовались в качестве функциональных элементов биосенсоров, а подавляющее число научных работ посвящено биосенсорам на основе графена и его химических производных. В данной работе были исследованы биосенсорные чипы со связующими слоями из графена и оксида графена (ОГ) [2, 3]. Эффективность их работы была проверена с использованием коммерческих спектрометров на основе ППР (BiOptix Accolade 104SA и Biacore T200); было получено, что использование связующих слоев из ОГ позволяет достичь 30-кратного прироста чувствительности по сравнению с коммерческими аналогами на основе связующих слоев из водорастворимых полимеров. Были изучены различные способы иммобилизации биомолекул на поверхности графена и ОГ и способы регенерации поверхностей. Кроме того, была исследована эффективность использования биосенсорных чипов на основе интерфейсов, включающих тонкие медные пленки, покрытые защитными слоями из разных диэлектриков. В результате были получены оптимальные конфигурации биосенсорных чипов, которым соответствует максимальное значение чувствительности. Иммобилизация биомолекул на поверхности медно-диэлектрических биосенсорных чипов осуществлялась с использованием адсорбционных матриц из ОГ .

Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 18-37-00302 мол_а и стипендии Президента РФ (СП-4754.2018.5) .

Литература

1. Stebunov, Y.V., Arsenin, A.V., Volkov V.S. Functionalization of chemically derived graphene for surface plasmon resonance (SPR) biosensors. // Chemically Derived Graphene: Functionalization, Properties and Applications .

UK: The Royal Society of Chemistry. 2018. Ch. 12. P. 328–353 .

2. Stebunov Y.V., Aftenieva O.A., Arsenin A.V., Volkov V.S. Highly Sensitive and Selective Sensor Chips with Graphene-Oxide Linking Layer // ACS Applied Materials & Interfaces. V. 7(39). P. 21727–21734 .

3. Stebunov Yu.V., Yakubovsky D.I., Fedyanin D.Yu., Arsenin A.V., Volkov V.S. Superior sensitivity of copper-based plasmonic biosensors // Langmuir. 2018. V. 34(15). P. 4681-4687 .

УДК 538.9 Теоретическое исследование безызлучательной рекомбинации и оптического усиления в квантовых ямах из теллурида кадмия-ртути Г.В. Алымов, Д.А. Свинцов Московский физико-технический институт (государственный университет) Для задач инфркрасной и терагерцовой спектроскопии требуются эффективные, компактные и дешёвые источники среднего/дальнего инфракрасного излучения, способные работать при комнатной температуре. Основными узкополосными источниками электромагнитного излучения в этих диапазонах на данный момент являются квантово-каскадные и межзонные каскадные лазеры, которые требуют высокоточного выращивания многослойных гетероструктур и обладают высокой стоимостью. В последнее время ведутся экспериментальные исследования по возможности генерации ИК- и ТГц-излучения в одиночных квантовых ямах на основе твёрдых растворов теллурида кадмия-ртути (КРТ) [1]. В данных ямах можно варьировать ширину запрещённой зоны в пределах 0–1.6 эВ за счёт выбора толщины и состава ямы, поэтому инжекционные лазеры на основе таких ям потенциально могут покрыть широкий спектральный диапазон и стать более дешёвой альтернативой каскадным лазерам .

В настоящей работе исследуются процессы безызлучательной рекомбинации и оптического усиления в квантовых ямах CdxHg1–xTe/CdyHg1–yTe/CdxHg1–xTe. В расчётах использованы законы дисперсии и волновые функции, рассчитанные в восьмизонной модели Кейна с параметрами гамильтониана, найденными из экспериментальных данных [2] .

Закон дисперсии в таких квантовых ямах зависит от толщины ямы d, при этом ширина запрещённой зоны меняется немонотонно, обращаясь в ноль при некоторой критической толщине ямы (около 6 нм для ямы Cd0.7Hg0.3Te/HgTe/Cd0.7Hg0.3Te). При этом зоны являются существенно непараболическими: зона проводимости по форме близка к гиперболе с линейной асимптотикой при больших импульсах, а валентная зона имеет кольцеобразный боковой максимум, который в широких ямах поднимается выше центрального, и яма становится непрямозонной .

Как показывается в настоящей работе, эффекты непараболичности зон играют существенную роль в процессах оже-рекомбинации в рассматриваемых ямах. Так, при толщинах, близких к критической (то есть для наиболее узкозонных ям), закон дисперсии при малых импульсах имеет дираковский (гиперболический) вид. При дираковском законе дисперсии ожерекомбинация оказывается запрещена законами сохранения, разрешены лишь многочастичные процессы более высокого порядка по кулоновскому взаимодействию [3]. В КРТ-ямах из-за отклонения спектра от дираковского оже-рекомбинация оказывается разрешена, но лишь для носителей с большими энергиями, при которых валентная зона начинает отклоняться от гиперболической формы. Это приводит к подавлению оже-рекомбинации в таких ямах по сравнению со случаем параболических зон (см. область вблизи d = 6 нм на рис. 1), когда ожерекомбинация возможна уже при более низких энергиях .

В широких ямах боковой максимум валентной зоны поднимается выше центрального, и яма становится непрямозонной. При этом становится возможным CHHH-процесс с участием двух дырок из бокового максимума и электрона со дна зоны проводимости, из-за чего исчезает энергетический порог для оже-рекомбинации (рис. 1, d 7 нм) и её темп существенно возрастает .

Также были проведены расчёты оптической проводимости в рассматриваемых ямах. Были определены пороговые концентрации неравновесных носителей, при которых среда становится усиливающей. Для этих концентраций были рассчитаны времена безызлучательной рекомбинации, которые составили от единиц пс для ям с толщиной, близкой к критической (6 нм) до единиц нс для более широкозонных ям (d = 2 нм) при комнатной температуре .

Полученные времена были затем использованы для оценки пороговых токов инжекционных лазеров на основе КРТ-ям (рис. 2). Пороговые токи остаются в районе единиц кА/см2 при комнатной температуре (типичная величина для квантово-каскадных лазеров) даже в достаточно длинноволновой области, лишь в терагерцовой области поднимаясь до десятков кА/см2, что свидетельствует о перспективности КРТ-ям для создания дешёвых инфракрасных лазеров в широком диапазоне длин волн .

Рис. 1. Зависимость энергетического порога оже-рекомбинации, нормированного на запрещённую зону, от толщины квантовой ямы Cd0.7Hg0.3Te/HgTe/Cd0.7Hg0.3Te. Сплошная линия: пороги, рассчитанные с использованием точных законов дисперсии в восьмизонной модели Кейна. Пунктирная линия: пороги, рассчитанные в приближении параболических зон (обрыв на толщине 7.5 нм связан с уходом эффективной массы дырок в отрицательную область). Также изображены законы дисперсии и пороговые оже-процессы для ям разных толщин Рис. 2. Зависимость порогового тока лазерной генерации в квантовых ямах Cd0.7Hg0.3Te/HgTe/Cd0.7Hg0.3Te от частоты/длины волны генерации при комнатной температуре (верхняя кривая) и температуре жидкого азота (нижняя кривая). Точки соответствуют ямам толщиной от 2 до 6 нм с шагом 0.5 нм (справа налево) Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ № 16-37-60110\16 .

Литература

1. Ruffenach S. [et al.] HgCdTe-based heterostructures for terahertz photonics // APL Materials. 2017. V. 5, N 3 .

P. 35503 .

2. Zholudev M. [et al.] Magnetospectroscopy of two-dimensional HgTe-based topological insulators around the critical thickness // Physical Review B. 2012. V. 86, N 20. P. 205420 .

3. Alymov G., Svintsov D., Vyurkov V., Ryzhii V., Satou A. Auger recombination in Dirac materials: a tangle of manybody effects // Physical Review B. 2018. V. 97. P. 205411 .

УДК 538.935 Теория возмущений для гидродинамических плазменных эффектов в двумерных электронных системах А.С. Петров, Д.А. Свинцов Московский физико-технический институт (государственный университет) Гидродинамическая модель движения электронов в твёрдом теле была впервые предложена Блохом в 1933 году [1] как упрощенный язык описания плазменных явлений.

Несмотря на простоту теории, экспериментальное наблюдение гидродинамических явлений весьма затруднительно:

частое рассеяние носителей на примесях и фононах в твёрдом теле, как правило, препятствует их коллективному поведению. Появление сверхчистых образцов графена с высокоэнергетичным спектром фононов позволило преодолеть эти проблемы, и в 2016 году гидродинамический транспорт электронов была реализован [2, 3] .

Таким образом, на данный момент электронная гидродинамика переживает второе рождение. Это влечёт за собой потребность в пересмотре соответствующей теоретической базы, и данное исследование направлено на изучение высокочастотных свойств двумерной электронной жидкости. А именно нас будет интересовать отклик произвольной двумерной электронной системы (ДЭС) на внешнее возмущение: приложение электрического и/или магнитного полей, рассеяние носителей на примесях, эффекты электронной вязкости и пр .

Для проведения такого анализа мы используем операторный подход к уравнениям гидродинамики заряженной жидкости [1], который позволяет построить аналог квантовомеханической теории возмущений и получить выражение для поправок к собственной частоте колебаний плазменных мод в ДЭС .

Данный результат служит отличной платформой для исследования разнообразных эффектов в ДЭС. В качестве наглядной иллюстрации мы применяем построенную теорию для анализа устойчивости плазменных мод в ДЭС, что является актуальной задачей в контексте генерации терагерцового излучения [4]. Так, нам удалось установить чёткую связь между асимметрией транзисторов на основе ДЭС и развитием плазменной неустойчивости в них. При этом большая роль отводится приконтактным явлениям, которые, видимо, и ответственны за возникновение неустойчивостей – в том числе и в многозатворных (периодических) структурах. Также наша теория позволяет выявить общие свойства краевых плазмонных мод [5]: темп роста волн с противоположными волновыми векторами одинаков. Приложения предлагаемой теории весьма широки и не ограничивается рассмотренными примерами .

Исследование поддержано грантами РФФИ 18-37-00206 и РНФ 16-19-10557 .

Литература Bloch Felix. Bremsvermgen von Atomen mit mehreren Elektronen // Zeitschrift f ur Physik A Hadrons and 1 .

Nuclei. 1933. V 81. 363 .

2. Bandurin Denis [et.al.]. Negative local resistance caused by viscous electron backflow in graphene // Science .

V. 351. 1055–1058 .

3. Crossno Jesse [et.al.]. Observation of the Dirac fluid and the breakdown of the Wiedemann-Franz law in graphene // Science. V. 351. 1058–1061 .

4. Dyakonov Michael, Shur Michael. Shallow water analogy for a ballistic field effect transistor: New mechanism of plasma wave generation by dc current // Phys. Rev. Lett. 1993. V. 71. 2465 .

5. Volkov Vladimir, Mikhailov Sergey. Edge magnetoplasmons: low frequency weakly damped excitations in inhomogeneous two-dimensional electron systems // Zh. Exp. Teor. Fiz. 1988. V. 94. 217–241 .

УДК 535-14 Диэлектрический отклик монокристаллических гексаферритов М-типа Ba1– xPbxFe12O19 в терагерцовом-инфракрасном диапазоне частот А.В. Чечёткин1 Л.Н. Алябьева1, В.И. Торгашев2, Д.А. Винник3, С.А. Гудкова1,3, А.С. Прохоров1,5, М. Дрессель1,6, Б.П. Горшунов1 Московский физико-технический институт (государственный университет)

–  –  –

Институт общей физики им. А.М. Прохорова РАН Physikalisches Institut, Universitat Stuttgart В гексаферритах М-типа, AM12O19, в роли крупного катиона А выступают ионы Ba, Pb, Sr, а более мелкие катионы наиболее часто представлены ионами Fe. Благодаря своим магнитным свойствам (высокая намагниченность насыщения, большая коэрцитивная сила и т. д.) гексаферриты М-типа крайне востребованы в различных областях электроники, связанных с генерацией, детектированием и фильтрацией сигналов, широко представлены в устройствах телекоммуникаций .

Подстройка функциональных параметров в данных соединениях осуществима благодаря достаточно сложному строению кристаллической решетки, в которой крупный катион (Ba, Pb и т. д.) имеет двенадцатикоординационное окружение, а ионы Fe3+ распределяются по пяти различным кристаллографическим позициям, три из которых октаэдрические, одна тетраэдрическая и одна представляет собой тригональную бипирамиду. Частичная замена ионов бария на более тяжелые ионы свинца приводит к разупорядочению структуры, изменению локальной симметрии сайт-позиций катионов и, как следствие, влияет на диэлектрические характеристики соединения (комплексную диэлектрическую проницаемость, комплексный показатель преломления, тангенс угла потерь и т. д.) [1] .

В данной работе методами терагерцовой и инфракрасной спектроскопии изучены спектры комплексной диэлектрической проницаемости монокристаллов гексаферрита бария-свинца Ba0.4Pb0.6Fe12O19, Ba0.2Pb0.8Fe12O19 и Ba0.9Pb0.1Fe12O19 в области частот 10–8000 см–1 в диапазоне температур 10–300 К при поляризации вектора электрического поля зондирующего излучения E перпендикулярно кристаллографической оси c. В области 10–100 см–1 с применением терагерцового импульсного спектрометра TPS Spectra 3000 были получены спектры пропускания, а в диапазоне частот от 50 до 8000 см–1 при помощи инфракрасного вакуумного фурье-спектрометра Vertex 80v были зарегистрированы спектры отражения приготовленных образцов. Далее было проведено моделирование наблюдаемых особенностей методом наименьших квадратов с использованием модели независимых лорентцианов, что позволило определить параметры (диэлектрический вклад, резонансная частота, затухание, сила осциллятора) зарегистрированных резонансных линий поглощения .

Природа наблюдаемых в области частот 90–1000 см–1 резонансных линий поглощения связывается с решеточными возбуждениями [2]. На более низких частотах, 10–90 см–1, обнаружена серия резонансных возбуждений (рис. 1), природа которых связывается с электронными переходами в тонкой структуре основного состояния Fe2+, расщепленного под действием спин-орбитального взаимодействия второго порядка .

Рис. 1. Температурная динамика мнимой части комплексной диэлектрической проницаемости монокристаллов Ba0.1Pb0.9Fe12O19 (a), Ba0.4Pb0.6Fe12O19 (b) и Ba0.2Pb0.8Fe12O19 (c) в диапазоне температур от 300 до 10 K Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ 19-32-70012 и программы 5топ100 .

Литература

1. Obradors, X., Collomb, A., Pernet, M., Samaras, D., & Joubert, J.C. X-ray analysis of the structural and dynamic properties of BaFe 12 O 19 hexagonal ferrite at room temperature // Journal of Solid State Chemistry .

1985. 56(2). 171–181 .

2. Zhukova E.S., Mikheykin A.S., Torgashev V.I., Bush A.A., Yuzyuk Yu.I., Sashin A.E., Prokhorov A.S., Dressel M., Gorshunov B.P. Crucial influence of crystal site disorder on dynamical spectral response in artificial magnetoplumbites. Solid State Sciences. 2016. 26. 13–21 .

–  –  –

Эффект поверхностного плазмонного резонанса состоит в возбуждении поверхностных плазмонов на их резонансной частоте внешним излучением. Поверхностные плазмоны обладают более высокой локализацией электромагнитного поля по сравнению с фотонами, благодаря чему играют важную роль в современной оптоэлектронике. Графеновые плазмоны, в свою очередь, обладают уникальной возможностью контроля частоты плазмонного резонанса за счет изменения напряжения на затворе. Но для возбуждения плазмонных мод требуется преодолеть рассогласование волнового вектора падающей электромагнитной волны и плазмона. Нарезание графена на массив микролент [1] или использование периодических диэлектрических решеток [2] позволяет возбуждать классические графеновые плазмоны с корневой зависимостью частоты от волнового вектора, который определяется периодом массива микролент или диэлектрической решетки. Один из альтернативных способов возбуждения плазмонов – использование субволновой металлической решетки, расположенной вблизи графена. Близкое расположение металлической решетки к графену приводит к возбуждению сильно связанных с металлом плазмонов. Структуры с металлическими решетками хорошо изучены теоретически [3], однако до сих пор не были экспериментально изучены плазмонные резонансы в данных структурах в ТГц диапазоне .

В данной работе были исследованы транзисторные структуры c монослоем графена в качестве канала и металлической решеткой из титана, отделённой от графена тонким диэлектрическим слоем из hBN толщиной 14 нм (Рис.1a). Графен, выращенный методом химического осаждения из газовой фазы (ХОГФ) на меди, а также многослойный ХОГФ hBN толщиной 14 нм, переносились на подложку Si/SiO2 с использованием стандартного метода жидкостного травления меди [4]. Значения подвижности графена в наших образцах оказались порядка 1000 см2В–1сек–1. Золотые контакты к графену толщиной 60 нм были сделаны методом магнетронного напыления с подслоем хрома. Металлическая решетка выполнена методом электронной литографии c электронно-лучевым напылением титана .

Спектры поглощения в ТГц/среднем ИК-диапазоне длин волн изучались методами ТГц спектроскопии/ИК-фурье спектроскопии. Пренебрегая отражением/рассеянием величина TVgate поглощения образца относительно поглощения в точке нейтральности равна A = 1, где TCNP TCNP

– пропускание графена в точке электронейтральности. Спектры поглощения измерялись при различных напряжениях на затворе при поляризации падающего излучения параллельно и перпендикулярно металлической решётке. В случае параллельной поляризации решётка не может возбудить плазмон, и наблюдается только широкая полоса друде-поглощения на свободных носителях. Времена релаксации 1013 сек, полученные из обработки спектров с применением модели Друде для разных образцов, хорошо коррелируют с измеренными из транзисторных характеристик значениями подвижностей носителей заряда в графене. В случае перпендикулярной поляризации в спектрах пропускания кроме поглощения на свободных носителях наблюдается вклад, вызванный возбуждением плазмонного резонанса в структуре. Для выделения чисто плазмонного вклада спектры пропускания при одной поляризации делились на другую .

В результате были измерены и исследованы плазмонные резонансы в графене (Рис.1b) .

Ожидалось, что значение резонансной частоты в графене будет соответствовать закону дисперсии с характерным волновым вектором q = 2 [5], где d – период решётки. Однако такая оценка дает d значение частоты 10 TГц, несовместимое с экспериментальными результатами. Тем не менее хорошее согласие с наблюдаемой резонансной частотой достигается, если оценивать дисперсию плазмонов с волновым вектором, зависящем от ширины одной металлической полоски Lg (рис. 2) .

Таким образом, мы показали, что частота плазмонного резонанса в периодически гейтированной структуре на основе графена, отделенного от решетки диэлектриком толщиной много меньше длины волны плазмона, зависит от фактора заполнения Lg, а не от периода решетки d, и, кроме того, волновой вектор в таком случае определяется как q = .

Lg Рис. 1. (a) Схематическое изображение структуры на основе графена. (b) Карта интенсивности усиления спектров поглощения, соответствующих плазмонному вкладу, как функция частоты и напряжения на затворе. Пунктирные линии соответствуют теоретическому расчету закона дисперсии гейтированных

–  –  –

Рис. 2. Схематическое изображение металлической решетки, лежащей на структуре диэлектрик (оранжевый)/графен (синий), d – период решетки, Lg – ширина одной металлической полоски, dox – толщина слоя диэлектрика .

Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ № 18-32-00986 .

Литература

1. Ju L. [et al.]. Graphene plasmonics for tunable terahertz metamaterials // Nature Nanotechnology. 2011. V. 6 .

P. 630–634 .

2. Gao W. [et al.]. Excitation and Active Control of Propagating Surface Plasmon Polaritons in Graphene// Nano Letters. 2013. V. 13. 36983702 .

3. Fateev D. V. [et al.]. Terahertz plasmonic rectification in a spatially periodic graphene // Applied Physics Letters .

2017. V. 110. P. 061106 .

4. Li X. [et al.]. Transfer of Large-Area Graphene Films for High-Performance Transparent Conductive Electrodes // Nano Letters. 2009. V. 9. N. 12. P. 4359–4363 .

5. Mikhailov S.A. Plasma instability and amplification of electromagnetic waves in low-dimensional electron systems // Physical Review B. 1998. V. 58. N. 3. P. 1517–1532 .

УДК 535.016 Оптические и электрические свойства тонких пленок меди и золота на различных подложках Д.И. Якубовский, Р.В. Киртаев Московский физико-технический институт (государственный университет) В работе представлены результаты исследований оптических и электрических свойств тонких пленок меди и золота (20–200 нм) на различных подложках (графен и стекло). Ранее нами было продемонстрировано, что оптические и электрические свойства тонких металлических пленок зависят от толщины и определяются структурными параметрами пленки (размерами кристаллитов) [1]. Рассмотрение графена в качестве материала подложки для осаждения металловвызвано интересом к гибридным графен-металлическим наноструктурам в различных приложениях оптоэлектроники (например, солнечная энергетика, фотодетекторы и сенсоры) [2]. Свойства осаждаемых на графен материалов зависят в том числе и от числа слоев графена на подложке [3, 4] .

Результаты наших исследований демонстрируют, что наличие монослоя графена на подложке SiO2 приводит к изменению кинетики роста металлической пленки, что в значительной степени влияет на ее структурные, оптические и электрические свойства (рис. 1). Осаждение тонких пленок меди и золота осуществлялось посредством электронно-лучевого испарения металлов в высоком вакууме, а анализ их свойств выполнен с помощью сканирующей электронной микроскопии (структура поверхности пленок), атомно-силовой микроскопии (толщины пленок), рентгеновской дифрактометрии (размеры кристаллитов), четырех зондового метода (поверхностное сопротивление), и спектральной эллипсометрии и фотометрии (диэлектрическая проницаемость, спектры пропускания и отражения). Типовая методика измерений представлена в работах [5, 6] .

Рисунок 1 демонстрирует различие в кинетике роста тонких пленок металлов на графене и поверхности стекла. Если на стекле при толщине 8 нм формируется однородная структура металла, то на графене мы наблюдаем совокупность металлических кластеров. Кроме того, спектры пропускания показывают, что на кинетику роста металла на графене значительное влияние оказывает температура (представлены данные для металлических пленок, выращенных при 20 и 170°С) .

Риc. 1. Измеренный оптический коэффициент прохождения T тонкой медной пленки толщиной 8 нм на графене и поверхности стекла. Изображение, полученное с помощью сканирующей электронной микроскопии, медной пленки на границе графен-стекло Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 18-37-00308\18 мол_а .

Литература

1. Yakubovsky D.I., Arsenin A.V., Stebunov Y.V., Fedyanin D.Y., Volkov V.S. Optical constants and structural properties of thin gold films // Optics Express. 2017. V. 25. P. 25574 .

2. Li X., Zhu J., Wei B. Hybrid nanostructures of metal/two-dimensional nanomaterials for plasmon-enhanced applications // Chem. Soc. Rev. 2016. V. 45. P. 3145 .

3. Ruffino F., Giannazzo F.A review on metal nanoparticles nucleation and growth on/in graphene // Crystals. 2017 .

V. 7. P. 219 .

4. Zhou H., Qiu C., Liu Z., Yang H., Hu L., Liu J., Yang H., Gu G., Sun L. Thickness-dependent morphologies of gold on N-layer graphenes // J. Am. Chem. Soc. 2009. V. 32. P. 944–946 .

5. Yakubovsky D.I., Stebunov Y.V., Kirtaev R.V., Voronin K.V., Voronov A.A., Arsenin A.V., Volkov V.S. Graphenesupported thin metal films for nanophotonics and optoelectronics (submitted) .

6. Volkov V.S., Yakubovsky D.I., Stebunov Y.V., Kirtaev R.V., Voronin K.V., Arsenin A.V. Hybrid graphenenanometallic structures // Journal of Physics: Conference Series. 2018. V. 1092 .

УДК 535.016 Cтруктурные свойства тонких пленок золота и меди на поверхности графена Р.В. Киртаев, Д.И. Якубовский Московский физико-технический институт (государственный университет) Исследование графена и его структурных, химических и электрических свойств открыло возможности для создания наноструктур и функциональных устройств, использующих уникальные свойства этого двумерного материала. При анализе этих свойств графен необходимо рассматривать в совокупности с материалами, контактирующими с ним. В настоящем докладе мы обращаем внимание на гибридные структуры на основе графена и тонких металлических пленок плазмонных металлов (золота и меди), которые в последнее время находят широкое применение в разработке различных оптоэлектронных устройств [1]. Известно, что кинетика роста металлов на поверхности графена существенно отличается от кинетики роста на обычных подложках (SiO2, Si) [2, 3], что может стать ограничением для получения сплошных тонких пленок некоторых металлов [3, 4] .

Изучение кинетики роста тонких металлических пленок на графене и изучение их свойств представляется важным для разработки технологий создания гибридных графен-металлических многослойных структур .

В настоящей работе исследуется рост тонких медных и золотых пленок на графеновом подслое, а также их структурные и электрические свойства. Было показано, что пленки на графене, полученные физическим осаждением в высоком вакууме, демонстрируют различную морфологию, в зависимости от металла, толщины и параметров напыления. С использованием метода сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) обнаружено, что золото и медь показывают различные пределы перколяции пленки и степень заполнения поверхности металлом, в зависимости от скорости осаждения металла. В работе проведено сравнение металлических пленок осажденных на графен и подложу SiO2 (рис. 1) .

–  –  –

Литература

1. Grigorenko A.N., Polini M., Novoselov K.S., Graphene plasmonics // Nature Photon. 2012. V. 6. P. 749–758 .

2. Hodas M., Siffalovic P., Jergel M., Pelletta M., Halahovets Y., Vegso K., Kotlar M., Majkova E., Kinetics of copper growth on graphene revealed by time-resolved small-angle x-ray scattering // Phys. Rev. B. 2017. V. 95. P. 035424 .

3. Volkov V.S., Yakubovsky D.I., Stebunov Y.V., Kirtaev R.V., Voronin K.V., Arsenin A.V. Hybrid graphenenanometallic structures // Journal of Physics: Conference Series. 2018. V. 1092 .

4. LiX., Zhu J., Wei B., Hybrid nanostructures of metal/two-dimensional nanomaterials for plasmon-enhanced applications // Chem. Soc. Rev. 2016. V. 45. P. 3145–3187 .

УДК 538.958 Зарядовый транспорт и релаксация воды в биологических системах .

З.В. Гагкаева1, К.А. Мотовилов1, М. Савинов2, В. Гриненко3, З.В. Бедрань1, Л.С. Кадыров1, К. Сидорук4, Е.С. Жукова1, М. Дрессель1,5, Б.П. Горшунов1 Московский физико-технический институт (государственный университет) Institute of Physics of the Czech Academy of Sciences Institute for Metallic Materials, IFW Dresden Государственный научно-исследовательский институт генетики и селекции промышленных микроорганизмов Physikalisches Institut, Universitt Stuttgart Вода играет важнейшую роль в жизнедеятельности биологических систем: так, в белках вода участвует в ферментном катализе, регулируя реакции переноса протонов; вносит вклад в определение трехмерной структуры белка; осуществляет транспорт зарядов (протонов, ионов и косвенно электронов); образует гидратные оболочки вокруг белков и т. д. Однако значительная часть исследований, посвященных физическим свойствам биологических объектов, например, таким, как зарядовый транспорт, зачастую проводится без должного контроля влажности образцов .

В настоящей работе мы исследовали влияние присутствия воды на проводимость в разных биологических структурах. В качестве объектов были выбраны несколько разных биологических материалов: два белка с хорошо исследованными свойствами и структурой, цитохром с (CytC) и бычий сывороточный альбумин (BSA); меланин, биополимер с известным механизмом транспорта;

а также внеклеточный матрикс и филаменты электрогенной бактерии Shewanella oneidensis MR-1 (ВМФ). Образцы исследовались с помощью диэлектрической спектроскопии в широком частотном (1 Hz–30 THz) и температурном (5–300 К) диапазонах, а также с помощью калориметрии при температурах от 5 К до 300 К .

Для всех образцов, кроме БСА, в терагерцовых спектрах поглощения была обнаружена обусловленная откликом воды дебаевская релаксация (отсутствие которой в БСА можно объяснить более связанным характером воды в этом белке). Наличие отклика воды в образцах согласовалось с признаками зарядового транспорта в низкочастотной области спектров. Кроме того, в спектрах и температурном поведении теплоёмкости образцов были обнаружены несколько других интересных особенностей, характерных для неупорядоченных неорганических сред: универсальный диэлектрический отклик, скейлинг, режим почти постоянных потерь (nearly constant losses) и бозонный пик .

Работа выполнена при поддержке программы 5-100, проекта № 3.9896.2017/BY и гранта визит-профессоров МФТИ .

Литература

1. Bhattacharjee N., Biswas P. Structure of hydration water in proteins: A comparison of molecular dynamics simulations and database analysis // Biophys. Chem. 2011. V. 158. P. 73 .

2. Malvankar N.S., Vargas M., Nevin K.P., Franks A.E., Leang C., Kim B.-C., Lovley D.R. Tunable metallic-like conductivity in microbial nanowire networks // Nature Nanotechnology. 2011. V. 6. P. 573 .

3. El-Naggar M. [et al.]. Electrical transport along bacterial nanowires from Shewanella oneidensis MR-1 // PNAS .

2010. V. 107. P. 18127 .

4. Mostert A.B., Powell B.J., Pratt F.L., Hanson G.R., Sarna T., Gentle I.R., Meredith P. Role of semiconductivity and ion transport in the electrical conduction of melanin // PNAS. 2012. V. 109. P. 8943 .

5. Perticaroli S., Nickels J. D., Ehlers G., Sokolov A. P. Rigidity, secondary structure, and the universality of the boson peak in proteins // Biophys. J. 2014. V. 106. P. 2667 .

СЕКЦИЯ ПРИКЛАДНОЙ ОПТИКИ

Председатель: Ф.Ф. Каменец (д.ф.-м.н., профессор) Дата: 24.11.2018

–  –  –

Дефекты в ограниченном объёме жидкокристаллической мезофазы смектик C* (SmC*) являются главными причинами ухудшения оптических характеристик в планарных ячейках .

Причинами появления дефектов (напр., наклонные смектические слои) являются: температурная зависимость угла между наиболее вероятным направлением длинных осей молекул (директор) и нормалью к слою SmC* (-угол), а также нарушение баланса между полярными и неполярными взаимодействиями на подложках .

Теоретически и экспериментально ранее показано, что угол наклона смектических слоёв в поверхностно-стабилизированном сегнетоэлектрическим жидком кристалле (СЖК) зависит от коэффициентов так называемого двухосного поверхностного потенциала f s ( ) [1]. Данный потенциал объясняет экспериментально наблюдаемую гистерезисную зависимость поляризации ячейки от величины электрического поля. Оказалось, что количество минимумов потенциала f s ( ) определяется величиной двухосного параметра – отношение энергии сцепления, связанной с двухосностью к энергии сцепления директора с осью лёгкого ориентирования. Следовательно, нахождение граничных условий для решения теоретических задач на основе двухосного поверхностного потенциала позволит корректно рассчитать распределение профиля директора в ячейке СЖК .

В работе теоретически рассчитывается распределение поля директора в наклонной слоевой структуре SmC*. Модель при этом учитывает неоднородность распределения вектора спонтанной поляризации и возникновение зарядов вблизи подложек с плотностью P0 sin cos, где P0 – = x спонтанная поляризация, – азимутальный угол директора, – угол наклона слоевой структуры, а ось x перпендикулярна подложкам. Геометрия ячейки представлена, например, в работах [2, 3] .

Для нахождения граничных условий и угла рассматриваются крутящие моменты N = f s и N = f s. Приравняв эти моменты к соответствующим максимумам, мы приходим к системе связанных нелинейных уравнений, где и s – неизвестные. Здесь s – азимутальный угол директора на подложках. Решение данной системы уравнений позволяет однозначно рассчитать неизвестные углы и s в отсутствие электрического поля. Тогда граничные условия могут быть записаны в виде

–  –  –

где d – толщина ячейки, а B – постоянная упругости .

Уравнение Лагранжа в одноконстантном приближении было получено минимизацией объёмной плотности свободной энергии: f b = f elas + f elec + f stab, где её слагаемые – это объёмные плотности энергий упругости, электрического поля, взаимодействия директора и полимерной сетки .

Уравнение баланса моментов для стационарного электрического поля можно записать следующим образом:

d f b f = b, t dx, x где – коэффициент вращательной вязкости директора. Получив решение уравнения баланса моментов, можно построить семейство кривых – распределений профилей директора при разных значениях электрического поля и степени полимеризации .

Результаты моделирования такой системы показывают, что с увеличением электрического поля значения азимутальных углов (0, t ) t и (d, t ) t – постоянные величины. Это приводит к формированию вблизи подложек зон, где возникают большие градиенты спонтанной поляризации (рис. 1а) .

Изменение степени полимеризации не приводит к значительным изменениям формы профиля директора. Это означает, что степень полимеризации СЖК незначительно влияет на светопропускание ячейки (рис. 1б). При этом полимерная сетка значительно улучшает устойчивость директора к механическим воздействиям .

(б) (а) Рис. 1. Профили азимутальных углов директора в ячейке СЖК, стабилизированного полимером. (а) При возрастающем электрическом поле: E = 1 МВ/м (сплошная кривая), E = 1.5 МВ/м (длинно-пунктирная кривая) и E = 5 МВ/м (пунктирная кривая) при степени полимеризации s d = 4.8 104 Дж/м2. (б) Если E = 1 МВ/м, а степень полимеризации возрастает: s d = 1.6 104 Дж/м2 (сплошная кривая), s d = 4.8 104 Дж/м2 (штрих-пунктирная кривая) и s d = 9.6 104 Дж/м2 (длинно-пунктирная кривая) .

Литература

1. Kaznacheev A., Pozhidaev E., Rudyak V., Emelyanenko A. V., Khokhlov A. Biaxial potential of surface-stabilized ferroelectric liquid crystals // Phys. Rev. E. 2018. V. 97. 042703 .

2. Meyere A., Pauwels H., Ley E. Calculation of chevron profiles in ferroelectric liquid crystal cells // V. 14. 1269– 1282 .

3. Kudreyko A., Migranov N., Migranova D. Electrooptic response in thin smectic C* film with chevron structures // Chin. Phys. B. 2016. V. 25. 126101 .

УДК 524.882, 524.86 Уточненная концепция черной дыры и ее минимальный размер А.И. Миланич Московский физико-технический институт (государственный университет) Институт общей физики им. А.М. Прохорова РАН «Вопрос о реальном существовании чёрных дыр тесно связан с тем, насколько верна теория гравитации, из которой следует их существование. В современной физике стандартной теорией гравитации, лучше всего подтверждённой экспериментально, является общая теория относительности (ОТО), уверенно предсказывающая возможность образования чёрных дыр» [1] .

Эта цитата взята из Википедии .

С учетом того, что к экспериментам А. Эддингтона [2] (впервые подтвердившим ОТО) есть обоснованные претензии [3], вопрос как о экспериментальном подтверждении ОТО, так и о существования черных дыр актуален до сих пор .

Здесь мы не станем обсуждать возможность существования и свойства «квантовых» черных дыр [4], предполагающих наличие дополнительных пространственных измерений и т.д., а ограничимся рассмотрением лишь «астрофизических» черных дыр .

Большинство вопросов возникает при исследовании свойств и параметров именно этих черных дыр. Например, закономерен вопрос: какой минимальный размер (масса) необходимы для образования черной дыры? Астрономы предполагают существование некоторого порога массы звезды в диапазоне 1,7–2,7 масс Солнца. Лишь тогда после своей «смерти» звезда в состоянии «родить» черную дыру или нейтронную звезду. Пока на такие вопросы физика не дает однозначного ответа, и существуют различные точки зрения .

Но сначала обратимся к истории. Впервые понятие черной дыры ввел в 1784 году Джон Мичел (Jhon Michell) [5] (он использовался термин «черная звезда»).

Для фотона массы m в поле звезды массы М была записана 2-я космическая скорость:

mc 2 = GmM / r (1) 2GmM r= (2) c2 где G – ньютоновская гравитационная постоянная и с – скорость света Следовательно, в рамках классической механики при расстоянии меньше r фотон не в состоянии преодолеть гравитацию и улететь на бесконечное расстояние. Случайно это расстояние совпало с радиусом Шварцшильда в общей теории относительности А. Эйнштейна .

Сразу заметим, что применение ньютоновской гравитационной постоянной для фотона не корректно, поскольку G измерялась только для адронов (т.е. протонов и нейтронов). А фотон - это бозон и применение единой гравитационной постоянной справедливо лишь в рамках ОТО [3], когда фотон не имеет массы и только прочерчивает геодезические линии .

Однако все вышесказанное не помешало А. Эддингтону при проверке справедливости ОТО сравнить ожидаемое отклонение 1,75 света звезд гравитацией Солнца с рассчитанным Зольднером в 1804 году [6] вдвое меньшим отклонением 0,87 в рамках кеплеровского движения фотона по гиперболе, да еще с переменной скоростью, что противоречит специальной теории относительности (СТО) .

За прошедшие столетия наши представления о природе значительно расширились, но даже в 1919 году сравнение результатов ОТО с результатами Зольднера (противоречащими СТО) выглядят не убедительными .

Перечисленные выше аргументы ставят под сомнение саму концепцию черной дыры, существующую в рамках ОТО с горизонтом событий на сфере Шварцшильда, с остановкой времени и т.д .

Но существует и другое более серьезное возражение против концепции «астрофизической»

черной дыры. А именно: небольшую черную дыру просто нечем заполнить! Поясним, что имеется в виду .

Это редко обсуждаемое возражение против возможности существования черных дыр, а именно гигантская плотность вещества внутри неё или проблема сингулярности. Использование красивых терминов «сингулярность» или «ядерно-электронной плазмы» не решает проблему. В физике отсутствие ограничения на любую физическую величину (ее бесконечное значение) указывает на ошибочность теории, но почему-то этот принцип не распространяют на плотность вещества внутри черной дыры .

Проведем простой расчет. Радиус Шварцшильда для Солнца около 3 км. Масса Солнца 1,989 · 1030 кг, что соответствует плотности вещества в чёрной дыре с массой Солнца не менее (нижний предел) 5 · 1019 кг/м3. Для сравнения масса протона 1,67 · 10–27 кг при его размере 8,4 · 10– м соответствует плотности 3 1018 кг/м3, что на порядок меньше плотности, необходимой для существования описанной выше черной дыры. Отметим, что плотность протона (и нейтрона) – максимальные плотности вещества в нашей Вселенной, и плотность атомных ядер уже на порядок меньше плотности протона. Использование в качестве предельной «Платковской плотности»

1097 кг/м3 [4] некорректно хотя бы потому, что нет никаких экспериментальных доказательств существования Платковского предела длины и массы Платковской частицы .

Куда логичнее предположить, что существуют ограничения на размеры и массы чёрных дыр, поэтому в рамках ОТО черную дыру с массой Солнца просто нечем заполнить! Прежде такие ограничения на размер и массу черной дыры обсуждались редко и до сих пор существуют проекты создания «малых» черных дыр на «лабораторном столе» [4] .

Таким образом, даже если минимальную чёрную дыру заполнить «чистыми» протонами (нейтронами), то это возможно начиная с масс примерно в четыре раза больше массы Солнца. Этот труднодостижимый нижний предел для массы черной дыры косвенно подтверждают последние астрономические наблюдения. Утверждается, что обнаружена самая маленькая чёрная дыра с массой 3,8 масс Солнца (объект XTE J1650-500) размером (радиус Шварцшильда) 12 км [8], что формально хорошо совпало с предложенной выше оценкой .

И все же остается открытым вопрос: что за субстанция заполняет черную дыру? Черная дыра – это гигантский атом? Но ядерная физика доказала, что тяжёлые ядра неустойчивы (см. формулу Вайцзеккера). Кроме того, периодическая таблица Менделеева ограничена 137 элементами [8], поскольку затем у более тяжелых ионов скорость электрона на первой Боровский орбите превышает скорость света! А просто замена терминов («сингулярность» и т.п.) не решает проблему… Необходимы новые эксперименты .

К счастью, оказалось, что некоторые эксперименты уже «выполнены» природой, но были неверно истолкованы .

Например, недавно установлено, что окрестности гигантской черной дыры в центре нашей галактики (Млечный Путь) излучают электромагнитное излучение в широком диапазоне длин волн [9]. Но согласно современным космологическим моделям, черные дыры (точнее вещество в их окрестностях) излучают свет только во время формирования этих черных дыр, поглощая близрасположенные газы. Согласно расчетам, этот процесс в центре нашей галактики закончился миллионы лет тому назад. Поэтому, объясняя это излучение, говорят о новом поступлении вещества в окрестность черной дыры. Но проще предположить, что согласно рассмотренной в [8] модели фотонов переменной массы излучение от звезд за черной дырой просто в состоянии пересекать сферу Шварцшильда.. .

В любом случае необходимы прямые эксперименты, а не только расчет!

Литература

1. URL - https://ru.wikipedia.org/wiki/Чёрная_дыра

2. Dyson F. W., Eddington A. S., Davidson С. A Determination of the Deflaction of Light by the Sun’s Gravitational Field, from Observations Made at the Total Eclipse of May 19, 1919 // Phil. Trans. Roy. Soc. of London. Ser. A .

1920. V. 220. P. 291–333 .

3. Миланич А.И. Анализ экспериментов по отклонению света гравитацией Солнца /// Труды 60 научной конференции. Секция прикладной оптики. Москва–Долгопрудный–Жуковский, 2017. С. 50–52 .

4. Bernard J. Carr and Steven B. Giddings Quantum Black Holes // Scientific American. 2005. May. P. 48–55 .

5. URL - https://ru.wikipedia.org/wiki/Чёрная_дыра «Чёрная_звезда»_Мичелла

6. Soldner, J.G. Ueber die Ablenkung eines Lichtstrahls von seiner geradlinigen Bewegung, durch die Attraktion eines Weltkrpers, an welchem er nahe vorbei geht // Berliner Astronomisches Jahrbuch. 1804. P. 161–172

7. Shaposhnikov N., Titarchuk L. Determinztion of black hole masses in classic black hole binaries using scaling of spectral and variability characteristics // The Astrophysical Journal. 2009, July 1. V. 699. P. 453–468 .

8. Миланич А.И. Фотоны, закон сохранения энергии и не только // Инженерная физика. 2016. № 9. С. 81–85 .

9. Russell C. M.P., Wang Q.D, Cuadra J. Modelling the thermal X-ray emission around the Galactic Centre from colliding Wolf-Rayet winds // arXiv:1607.01562v3 [astro-ph.HE] 1 Aug 2017 .

–  –  –

Литература

1. Huang Y-Y., Balasubramanian T., Yang E., Luo D., Diers J.R., Bosian D.F., Lindsey J.S., Holten D., and Hamblin M.R. Stable Synthetic Bacteriochlorins for Photodynamic Therapy: Role of Dicyano Peripheral Groups, Central Metal Substitution (2H, Zn, Pd), and Cremophor EL Delivery // ChemMedChem. 2012.V. 7(12). P. 2155–2167 .

2. Haag W.R., Hoign J., Gassman E., Braun A.M. Singlet Oxygen in Surface Waters – Part I: Furfuryl Alcohol as a Trapping Agent // Chemosphere 1984. V. 13. P. 631–640 .

3. Vinogradov S.A., Lo L-W., Jenkins W.T., Evans S.M., Koch C. and Wilson D.F. Noninvasive Imaging of the Distribution in Oxygen in tissue In Vivo Using Near-Infrared Phosphors // Biophysical Journal 1996. V. 70. P .

1609–1617 .

УДК 53.082.52 Концепция гетеродинного спектрометра среднего ИК-диапазона для исследования планетных атмосфер В.В. Мещеринов, О.В. Бендеров, С.В. Малашевич, Т.С. Тебенева, А.В. Родин Московский физико-технический институт (государственный университет) Мы представляем концепцию инструмента HISPAR (Heterodyne Infrared Spectrometer for Planetary Atmospheres Research) – гетеродинного спектрометра для исследования планетных атмосфер на основе квантово-каскадного лазера (ККЛ) с распределенной обратной связью [1], работающего в средней инфракрасной области спектра. Прибор может быть установлен на инфракрасных телескопах метрового класса для наблюдения атмосфер планет со сверхвысоким спектральным разрешением. Особенностью предложенной концепции являются компактная конструкция, которая может быть достигнута за счет применения волокон, разработанных для среднего ИК-диапазона. Впервые планируется применение волоконных разветвителей для среднего ИК-диапазона. Налаженной технологии производства волокон с малыми потерями для этого участка спектра, а также технологии создания разветвителей таких волокон пока не разработано .

Стоит отметить большой прогресс в развитии халькогенидных волокон в последние годы [2] .

В качестве чувствительного широкополосного смесителя планируется использование болометра на горячих электронах (HEB), также прорабатываются варианты применения других малораспространенных высокочувствительных детекторов. Прецизионная динамическая стабилизация частоты излучения лазерного источника будет осуществляться по реперной спектральной линии поглощения исследуемого газа .

Основное преимущество сверхвысокого спектрального разрешения при анализе спектров исходящего излучения планет связано с возможностью получения подробной информации о составе, структуре и фотохимической кинетике их атмосфер. Спектральное разрешение / ~ 108, обеспечиваемое гетеродинным детектированием инфракрасного излучения, позволяет проводить измерения ветра на разных высотах по доплеровскому сдвигу. Наиболее важными задачами, которые предстоит решить с помощью прибора HISPAR, являются определение вертикальных профилей температуры и скорости ветра на Марсе и Венере, интегральные и вертикальные измерения концентрации малых газовых составляющих на Марсе и Венере, измерение скорости ветра и температурных профилей в атмосферах планет-гигантов и спутника Сатурна Титана. Эти данные позволят рассчитать тепловой баланс и восстановить динамику атмосфер, что необходимо для валидации и настройки численных моделей глобальной циркуляции атмосфер этих планет .

К настоящему времени нашей группой разработана схема гетеродинного спектрометра для наблюдений в условиях обсерватории. Создан лабораторный макет прибора. Был спроектирован и изготовлен вакуумированный охлаждаемый корпус ККЛ с распределенной обратной связью, используемого в качестве локального осциллятора. Разработано многопотоковое программное обеспечение на базе платформы LabView для управления лабораторным макетом прибора и обработки результатов, а также для проведения реальных астрономических наблюдений в автоматическом режиме .

Продемонстрирован эффект гетеродинирования при смешении излучения АЧТ и лазерного излучения. При этом уровень чувствительности приема гетеродинного сигнала на уровне десятикратного квантового предела. Получены результаты по наблюдению линии поглощения в гетеродинном режиме, имитирующем наблюдения линии поглощения в континуальном спектре астрономического источника .

Теоретическим пределом чувствительности гетеродинного спектрометра является квантовый предел, определяющийся дробовыми шумами локального осциллятора. Были экспериментально определены шумовые характеристики системы в терминах шумовой температуры. В случае использования CdHgTe-фотодетектора шумовая температура составила Тnoise 104 К (при квантовом пределе 1845 К). Данный результат определяется высоким уровнем шумов быстродействующих CdHgTe-фотодетекторов с термоэлектрическим охлаждением и сопоставим с результатами, полученными другими группами [3]. Шумовая температура единственного на сегодня применяемого в астрономических наблюдениях гетеродинного спектрометра составляет 3000 К [4] .

–  –  –

Литература

1. Faist J. [et al.] Quantum cascade laser //Science. 1994. V. 264. N 5158. P. 553–556 .

2. Stevens G. [et al.] Mid-IR fused fiber couplers //SPIE LASE. – International Society for Optics and Photonics,

2016. P. 973007–973007–8 .

3. Weidmann D. [et al.] Hollow waveguide photomixing for quantum cascade laser heterodyne spectro-radiometry //Optics express. 2011. V. 19. N 10. P. 9074–9085 .

4. Nakagawa H. [et al.] IR heterodyne spectrometer MILAHI for continuous monitoring observatory of Martian and Venusian atmospheres at Mt. Haleakal, Hawaii //Planetary and Space Science. 2016. V. 126. P. 34–48 .

УДК 520.84 Компактный лазерный гетеродинный спектрометр ближнего ИК-диапазона для прецизионных измерений контура линии СО2 в столбе атмосферы Земли С.Г. Зеневич1, Д.В. Чурбанов1, И.Ш. Газизов1, А.В. Родин1,2 Развитие климатических моделей и основанные на их результатах практические методики оценки естественного и антропогенного воздействия на климатическую систему требует применения все более точных инструментов для определения химического состава атмосферы. В частности, для оценки интенсивности эмиссии парниковых газов (ПГ), таких как СО2, СН4, N2O и NO, требуется измерение их содержания в атмосфере с субпроцентной точностью .

В 2004 году по инициативе США для валидации спутниковых данных была основана сеть глобальных мониторинговых станций TCCON [1] на основе фурье-спектрометров Bruker-125HR .

Эти станции способны восстанавливать вертикальное распределение основных парниковых газов с высокой точностью, однако имеющиеся тридцать станций обладают недостаточным измерительным покрытием поверхности Земли, даже если включить в этот же список действующие спутниковые миссии .

Отсюда следует необходимость создания более дешевых, компактных и не уступающих по своим измерительным характеристикам приборов. Это подтверждается активной разработкой портативных спектрометров за последнее десятилетие, например, портативный фурье-спектрометр [2] и портативный гетеродинный спектрометр [3] .

Мы представляем компактный гетеродинный спектрометр ближнего ИК-диапазона для прецизионных измерений контура линии поглощения CO2 в столбе атмосферы. Впервые описание спектрометра было опубликовано в 2014 году [4]. В представляемой конфигурации мы значительно переработали и улучшили подсистемы спектрометра, отвечающие за стабилизацию частоты диодного лазера, процедуру обработки гетеродинного сигнала и процедуру слежения за Солнцем .

Эти модификации привели к повышению стабильности лазера, увеличению отношения сигнал/шум (SNR), избавлению сигнала от нелинейности и способности заводить в оптическое волокно более мощный солнечный сигнал .

Также в работе будут представлены результаты полевых измерений спектров пропускания атмосферы в области 1,605 мкм и результаты моделирования по восстановлению вертикального профиля концентрации СО2 и высотного профиля скорости ветра вплоть до верхней границы стратосферы. Эксперимент проводился в г. Долгопрудном, на крыше корпуса прикладной математики МФТИ. Результаты решения обратной задачи восстановления вертикального профиля ветра качественно соответствуют данным аэрологического зондирования и результатам реанализа модели ERA-Interium [5] Литература

1. Toon G.C., Blavier J.-F.L., Washenfelder R.A., Wunch D., Keppel-Aleks G., Wennberg P.O., Connor B.J., Sherlock V., Griffith D.W.T., Deutscher N.M., and Notholt J.. Total Column Carbon Observing Network (TCCON), in Fourier Transform Spectroscopy // Optical Society of America. 2009. P. 4–7 .

2. Gisi M., Hase F., Dohe S., Blumenstock T., Simon A., Keen A./ XCO2-measurements with a tabletop FTS using solar absorption spectroscopy // Atmos. Meas. Tech. 2012. V. 5. P. 2969–2980 .

3. Willson E.L., McLinden V.L., Miller J.H.,Allan G.R., Ott L.E., Melroy H.R., Clarke G.B. Miniaturized laser heterodyne radiometer for measurements of CO2 in the atmospheric column // Appl. Phys. B. 2014. V.114. P. 385– 393 .

4. Rodin A., Klimchuk A.,Nadezhdinskiy A., Churbanov D., Spiridonov M. High resolution heterodyne spectroscopy of the atmosphere methane NIR absorption // Opt. Expr. 2014. V.22. P. 13825–13834 .

5. Dee D.P., Uppala S.M., Simmons A.J., Berrisford P., Poli P., Kobayashi S., Andrae U., Balmaseda M.A., Balsamo G., Bauer P., Bechtold P., Beljaars A.C.M., van de Berg L., Bidlot J., Bormann N., Delsol C., Dragani R., Fuentes M., Geer A.J., Haimberger L., Healy S.B., Hersbach H., Hlm E.V., Isaksen L., Kllberg P., Khler M., Matricardi M., McNally A.P., Monge-Sanz B.M., Morcrette J.-J., Park B.-K., Peubey C., de Rosnay P., Tavolato C., Thpaut J.-N. and Vitart F.Q. The ERA-Interim reanalysis: configuration and performance of the data assimilation system // J. R. Met. Soc. 2011. V. 137. P. 553–597 .

–  –  –

где минус в производной обозначает направление распространения в обратную сторону по сравнению с зондирующим импульсом, RS – коэффициент обратного релеевского отражения для волокна. На рис. 1 показаны результаты моделирования некогерентной рефлектограммы в сравнении с когерентной и квазинекогерентной рефлектограммами. Совпадение теории с экспериментом удовлетворительное. Небольшое несовпадение среднего уровня с моделированием на 85–100 км связано с тем, что нижняя часть рефлектограммы достигает уровня технического шума (–40 дБ) .

Показано, что с помощью моделирования некогерентной рефлектограммы можно с хорошей точностью оценить средний уровень рефлектограммы и его увеличение при использовании РУ .

Также модель позволяет найти оптимальные параметры Ф-OTDR и РУ для максимального увеличения дальности работы Ф-OTDR .

Рис. 1. Когерентная и усреднённая (квазинекогерентная) рефлектограммы в сравнении с результатом моделирования некогерентной рефлектограммы Литература

1. Martins H. F. [et al.]. Phase-sensitive optical time domain reflectometer assisted by first-order Raman amplification for distributed vibration sensing over 100 km //Journal of Lightwave Technology. 2014. V. 32. N

8. P. 1510–1518 .

2. Харасов Д.Р., Кузьменков А.И., Горбуленко В.В., Никитин С.П., Наний О.Е., Трещиков В.Н. Увеличение дальности работы когерентного рефлектометра с использованием романовского усилителя // 4 международная конференция «Инжиниринг & Телекоммуникации - En&T 2017». 29–30 ноября, 2017 .

Сборник тезисов. – С. 126–129 .

3. Kharasov D. R. [et al.]. Operating range limitations of the Phase-Sensitive Optical Time-Domain Reflectometer assisted by Raman amplifiers //2018 International Conference Laser Optics (ICLO). IEEE, 2018. P. 285–285 .

4. Shikhaliev I. I. [et al.]. A simple method of measuring the effective SRS coefficient in single-mode optical fibres and its applicability limits //Quantum Electronics. 2017. V. 47. N 10. P. 906 .

–  –  –

P где S, – коэффициенты затухания в волокне и PS, PP – мощности на частоте накачиваемого ( S ) и накачивающего ( P ) каналов, Aeff – эффективная площадь основной моды, z - координата вдоль волокна [5]. Как видно из скоростных уравнений (3), если коэффициент рамановского усиления зависит от мощностей сигнала и накачки, то такой импульс сильнее накачивает каналы с большими длинами волн, а сам же, вследствие большего истощения накачки, слабее усиливается коротковолновыми сигналами .

Из всего вышесказанного следует, что ВКР-перекос амплитудно-модулированных каналов имеет отклонения от линейной тренда, которые достигают наибольшей величины при применении в одной ВОЛС чирпированных и не чирпированных сигналов. Поэтому в последнем случае не корректно описывать выходной спектр в терминах линейного ВКР-перекоса. Для наилучшего описания выходного спектра линейным перекосом рекомендуется спектрально группировать каналы по типам модуляции .

–  –  –

Рис. 2. Перекос выходного спектра для амплитудно-модулированных (АМ) и фазовомодулированных (ФМ) каналов (а), искажение перекоса выходного спектра при добавлении чирпированного канала (б) Литература

1. Agrawal G.P. Fiber-Optic Communications Systems. - New York: John Wiley & Sons Inc., 2002 .

2. Капин Ю.А. [и др.] Прямое экспериментальное измерение ВКР-перекоса спектра в многоканальных многопролетных системах связи // Квантовая Электроника, 2012. Т. 42. №. 9. С. 818–821 .

3. Chraplyvy A.R. Optical power limits in multi-channel wavelength-division-multiplexed systems due to stimulated Raman scattering // Electron. Lett. 1984. Vol. 20. N 2. P. 58 .

4. Christodoulides D.N., Jander R.B. Evolution of stimulated Raman crosstalk in wavelength division multiplexed systems // IEEE Photonics Technol. Lett. 1996. Vol. 8. N 12. P. 1722–1724 .

5. Headley C., Agrawal G.P., Raman Amplification in Fiber Optical Communication Systems. San Diego: Elsevier Academic Press, 2005 .

–  –  –

Под эффектом Шпольского в литературе подразумевается возникновение квазилинейчатых электронно-колебательных спектров сложных органических соединений, растворённых в специально подобранных растворителях при низких температурах [1–2]. Данное явление было обнаружено в 1952 г. Э.В. Шпольским и его сотрудниками. При нормальных условиях спектры сложных органических соединений представляют собой сплошные широкие полосы, извлечь информацию о строении молекул и их составе из таких спектров трудно или невозможно. Эффект Шпольского позволяет регистрировать спектры, состоящие из узких спектральных линий, что даёт возможность изучать их .

На базе эффекта Шпольского получила широкое практическое развитие оптическая селективная лазерная спектроскопия примесных молекул в твердых средах [3]. Сейчас оптическая спектроскопия примесных молекул в твердых растворах является востребованным инструментом, применяемым для решения задач в физике, физической химии, квантовой оптике, биофизики, оптике и спектроскопии .

В работе [4] обобщено развитие данного научного направления, включая использование узких неоднородно уширенных линий в матрицах Шпольского: методом селективного лазерного возбуждения спектров люминесценции, методом выжигания стабильных спектральных провалов и спектроскопии одиночных молекул, что позволяет устранить усреднение данных по объему исследуемого образца. Вышеперечисленные методы проявили себя в качестве эффективных инструментов для исследования твердых сред с различной степенью неупорядоченности структуры матрицы .

В работе [5] авторы предположили возможность создания активных лазерных сред основанных на основе аналогов матрицы Шпольского, и провели серию предварительных экспериментов по проверке данной гипотезы. Для этих целей была создана экспериментальная установка, позволяющая изучать люминесценцию охлажденных до криогенных температур матриц .

Основой для проведенных экспериментов послужили более ранние исследования по изучению нелинейных оптических свойств наноструктурированных матриц на основе искусственного опала SiO2, заполненных различными жидкостями на основе органических веществ (ацетон, этанол) и охлажденных до температуры жидкого азота. В качестве образцов использовались опаловые матрицы, представляющие собой плотно упакованную трехмерную кристаллическую структуру, состоящую из наносфер (глобул) кремнезема диаметром 245, 270, 290 и 315 нм. Образцы опаловых матриц и нанокомпозитов имели размеры порядка нескольких миллиметров и были вырезаны параллельно плоскости (111). В ходе проведенных экспериментов был исследован обнаруженный ранее эффект «фотонного пламени», заключающийся в послесвечении в видимой сине-зеленой области спектра длительностью от 1 до 12 с при возбуждении замороженных матриц образцов сфокусированным излучением гигантского импульса рубинового лазера ( = 694.3 нм, = 20 нс, ЕMAX = 0.3 Дж, спектральная ширина линии генерации

0.015 см–1). Исследование нелинейно-оптических эффектов в опаловых матрицах показало наличие таких эффектов, как эффект фотонного пламени, вынужденное глобулярное рассеяние света, вынужденное комбинационное рассеяние света. В представленной работе проанализированы условия, которые необходимы для реализации лазеров на таких матрицах .

Прежде всего, отметим, что система энергетических уровней излучающих молекул [5] соответствует трехуровневой схеме лазера, схематично представленной на рис. 1 .

Такая активная среда имеет и существенное отличие от обычных лазерных сред, поскольку присутствует значительное рассеяние на длине волны лазерного перехода обусловленное принципиальной неоднородностью активной среды. Поэтому в кинетические уравнения для населенностей трехуровневой схемы необходимо добавить рассеяние, которое можно считать близким к неселективному рэлеевскому рассеянию .

Тогда система кинетических уравнений для населенностей уровней примет вид

–  –  –

N 0 = N1 + N 2 + N 3, где J – плотность потока фотонов на лазерном переходе, N – с соответствующим индексом – населенность данного уровня, W – мощность оптической накачки, B – коэффициенты Эйнштейна соответствующего перехода, S – скорость безизлучательного перехода между 3 и 2 уровнями, R – константа рэлеевского рассеяния, T и – времена спонтанного распада соответствующих уровней и

– длина волны лазерного перехода. Для точного решения этой системы нелинейных дифференциальных уравнений необходимо знать сечения всех процессов .

Было проведено изучение зависимости времени люминесценции опаловой матрицы, заполненной спиртом, от температуры. Для этого мы вморозили рядом с опаловым образцом, заполненным этиловым спиртом, термопару, сопряженную с цифровым мультиметром (точность измерения температуры ± 3 К, точность определения времени люминесценции около 2 с). После заморозки образца опаловой матрицы до криогенной температуры образец помещался на металлический массивный теплоотвод, также охлажденный жидким азотом до 77 К. Затем образцу позволяли постепенно нагреваться. Оценка времени люминесценции послесвечения проводилась на основании записи эффекта цифровой камерой с экспозицией кадров 2 с. Облучение образца излучением YAG:Nd3+ проводилось в течение 30 с. Результаты таких измерений в области температур от 77 до 165 К приведены на рис. 2 .

В дальнейшем планируется определить и другие константы для решения системы уравнений (1). Но и сейчас можно предположить, что для реализации генерации предпочтительны среды, излучающие в красной и близкой инфракрасной областях спектра. Это предопределено тем, что коэффициент усиления среды пропорционален кубу длины волны, а потери обратно пропорциональны четверной степени длины волны. Пока же были исследованы среды, которые излучали в видимом и синем диапазонах .

В любом случае для создания лазера необходимы прямые эксперименты, и они будут продолжены .

–  –  –

Литература

1. Шпольский Э.В., Ильина А.А.,' Климова Л.А. Спектры флуоресценции коронена в замороженных растворах.// ДАН СССР. 1952. Т. 87. 6. С. 935–938 .

2. Shpol'skii E.V. //Sov.Phys.Usp. 1961. 5. 522 .

3. Шпольский Э.В. Проблемы происхождения и структуры квазилинейчатых спектров органических соединений при низких температурах //УФН. 1962. Т. 77. Р. 2. C. 321–336 .

4. Наумов А.В. Спектроскопия органических молекул в твердых матрицах при низких температурах: от эффекта Шпольского к лазерной люминесцентной спектроскопии всех эффективно излучающих одиночных молекул // УФН. 2013. Т. 183. № 6. С. 633–652 .

5. Orrit M, Bernard J, Personov R. I. High-resolution spectroscopy of organic molecules in solids: from fluorescence line narrowing and hole burning to single molecule spectroscopy //J. Phys. Chem. 1993. V. 97 .

P 10256 .

6. Воропинов А.В., Ципенюк Д.Ю. Активные лазерные среды на основе эффекта Шпольского // Лазеры в науке, технике медицине: сборник научных трудов. Том 29 / под ред. В.А. Петрова М.: МНТОРЭС им .

А.С. Попова, 2018. С. 93–96 .

–  –  –

Для детектирования спектров комбинационного рассеяния растворов белков низких концентраций (менее 10 мкг/мл) необходимо провести пробоподготовку на специальных металлических подложках с наноструктурированной поверхностью, не разрушающую структуру исследуемого объекта и не превышающую отведенного на анализ времени. Выполнение этих условий необходимо для внедрения технологии в массовое использование. Метод ультразвуковой пробоподготовки в резонансном режиме позволит сократить время пробоподготовки раствора белка .

В эксперименте использовали специально созданный стенд для ультразвуковой подготовки, состоящий из генератора, подложкодержателя, пьезоэлементов с различными резонансными частотами (690 кГц, 880кГц, 90кГц, 1,7МГц), системы воздушного охлаждения, термопары. Водный раствор миоглобина объемом 3 мкл с концентрацией белка 10 мкг/мл наносили микродозатором переменного объема Eppendorf на подложки с наноструктурированной поверхностью на основе серебра. Толщина рабочего слоя серебра составляла 100 нм. Подложки были получены методом электронно-лучевого испарения в вакууме с предварительным травлением стеклянной основы в плавиковой кислоте с массовой концентрацией 36% .

Анализ спектров высушенного образца миоглобина проводили с помощью спектрометра комбинационного рассеяния на основе конфокального микроскопа WITec на длине волны возбуждения 785 нм .

Спектры комбинационного рассеяния высушенного белка сравнивали со спектрами контроля (высушенный на воздухе раствор миоглобина на аналогичных подложках). Использование ультразвука позволило сократить время пробоподготовки до десяти раз. Были обнаружены эффекты конформации, отражающиеся в изменении спектра в сравнении с контрольными образцами. Также обнаружено влияние ультразвука на характер кристаллизации белка с помощью метода атомносиловой микроскопии .

Проведенные эксперименты показали, что созданный ультразвуковой стенд в перспективе позволит осуществлять пробоподготовку растворов белка с сокращением времени высушивания без повреждения пробы и получать спектры комбинационного рассеяния белков с высокой амплитудой .

–  –  –

Московский физико-технический институт (государственный университет) Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики»

–  –  –

В настоящее время когерентные рефлектометры [1, 2] широко используются в качестве распределенных датчиков для мониторинга вибрационного и акустического воздействия. Дальность таких датчиков ограничивается, с одной стороны, затуханием света в волокне, с другой – возникновением нелинейных эффектов при достаточно больших мощностях зондирующего импульса. В данной работе было исследовано влияние эффекта вынужденного комбинационного рассеяния на работу когерентного рефлектометра .

Исследование проводилось для трёх типов волокон: SMF, NZDSF и RDF. В качестве источника излучения использовался узкополосный лазер (ширина линии 2 кГц) .

Акустооптическим модулятором формировались прямоугольные импульсы длительностью 200 нс и с частотой повторения 1 кГц. Импульсы усиливались эрбиевым усилителем (EDFA). Шум в виде спонтанного излучения (ASE) отсекался узкополосным фильтром (ширина пропускания 0,1 нм) .

Перед входом в волокно устанавливался сплиттер, с помощью которого высокоскоростным фотодиодом и осциллографом измерялась мощность зондирующего импульса. Циркулятор разделяет зондирующий импульс и свет, рассеянный в обратном направлении. Обратно-рассеянный свет регистрируется фотоприемником, подключенным к аналого-цифровому преобразователю и вычислительному модулю. Спектрограмма зондирующих импульсов на выходе линии измеряется оптическим спектроанализатором ANDO AQ6317B с минимальным разрешением 0,01 нм .

Выходные спектры на длинах волн 1545–1690 нм для сигналов в трех различных типах волокон при разных входных мощностях представлены на рис. 1. Здесь мы можем наблюдать эволюцию стоксовой компоненты в зависимости от входной мощности, что говорит о развитии эффекта вынужденного комбинационного рассеяния (SRS). Входной импульс является импульсом накачки для стоксовой компоненты, которая имеет широкий спектральный диапазон 1640–1680 нм .

Также в волокнах с положительной дисперсией при мощности 100 мВт начинает развиваться эффект модуляционной неустойчивости (MI), в силу прямоугольности зондирующих импульсов эффект фазовой самомодуляции (SFM) оказывает несущественное влияние на импульс, а эффект бриллюэновского рассеяния для импульсов длительностью 200 нс начинает развиваться при мощностях существенно больших, чем рассматриваются в эксперименте. Таким образом, на работу рефлектометра с RDF-волокном оказывает существенное влияние только эффект вынужденного комбинационного рассеяния (SRS) [3–6] .

Рефлектограммы в трех разных типах волокон при различных мощностях представлены на рис. 2. В первой колонке показаны рефлектограммы с мощностями входных импульсов, недостаточными для развития нелинейных эффектов. Была построена прямая после усреднения рефлектограммы в окне 1 км, коэффициент наклона которой составляет 0,4 дБ/км, что соответствует двойному параметру затухания в волокне. Во второй и третьей колонках показано влияние нелинейных эффектов на рефлектограммы: они спадают более резко, и их размах снижается после существенно меньшей дистанции .

На рис. 3 продемонстрированы усредненные интенсивности на определенных дистанциях вдоль волокна, отмеченных сверху, в зависимости от мощности входного импульса. Для кривых, соответствующих дистанциям 25, 35 и 45 км, проведена аппроксимация убывающих участков и вычислены коэффициенты наклона –16,0 ± 0,6 и –16,1 ± 0,5 дБ/Вт для SMF и NZDSF соответственно, а для RDF –14,5 ± 0,5 дБ/Вт .

Таким образом, было исследовано влияние SRS и MI на работу когерентного рефлектометра с различными типами волокна. Мощность зондового импульса в рефлектометре с RDF-волокном ограничена SRS, предельная мощность 1,0–1,1 Вт, что на 3,8 дБ выше мощности, при которой наблюдается MI для импульсов длительностью 200 нс в SMF волокнах. Оценивая затухание в волокне ~0,2 дБ/км, этот выигрыш в мощности позволяет увеличить протяженность рефлектометра на 9,5 км .

Рис. 1. Спектрограмма выходного сигнала на диапазоне 1545–1690 нм для разных типов волокон при различной входной мощности. Разрешение 1 нм Рис. 2. Рефлектограммы (синий) от разных волокон SMF, NZDSF, RDF при различных мощностях входных импульсов. Оранжевым обозначена линия усреднения в окне 1 км

–  –  –

Литература:

1. Shatalin S.V., Treshikov V.N. and Rogers A.J., Interferometric optical time-domain reflectometry for distributed optical-fiber sensing // Appl. Opt. 1998. Vol. 37. N 24. P. 5600–5604 .

2. Nanii O.E., Nikitin S.P., Treshchikov V.N., Manakov A.V., and Simikin D.E., Distributed sensor of acoustic and vibration action - RU2562689C1, 2014 .

3. Nikitin S.P., Ulanovskiy P.I., Kuzmenkov A.I., Nanii O.E., and Treshchikov V.N., Influence of modulation instability on the operation of phase-sensitive optical time domain reflectometers // Laser Phys. 2016. Vol .

26. N 10. P. 105106 .

4. Babin S.A., Ismagulov A.E., Podivilov E.V., Fedoruk M.P., Shelemba I.S., and Shtyrina O.V., Modulation instability at propagation of narrowband 100-ns pulses in optical fibers of various types // Laser Phys. Feb .

2010. Vol. 20. N 2. P. 334–340 .

5. Izumita H., Koyamada Y., Furukawa S.I., and Sankawa I., The Performance Limit of Coherent OTDR Enhanced with Optical Fiber Amplifiers Due to Optical Nonlinear Phenomena // Journal of Lightwave Technology. 1994. Vol. 12. N 7. P. 1230–1238 .

6. Agrawal G., Nonlinear Fiber Optics // New York. 2001. P. 467 .

УДК 53.05 Исследование свойств метаповерхностей Б.В. Гойхман, Н.Д. Чадромцев Московский физико-технический институт (государственный университет) Метаповерхности – материалы, линейные размеры составных частей которых сопоставимы с длиной волны исследуемого электромагнитного излучения. Ячейки метаповерхности – метаатомы

– могут взаимодействовать с падающим излучением различными способами. Развитие метаповерхностей может способствовать созданию сверхтонких оптических систем .

Цель нашей работы – создание метаповерхности и изучение ее свойств. Для исследования взаимодействия электромагнитных волн и метаатомов был использован излучатель, работающий в диапазоне 25–37 ГГц. Использовались две модели метаатомов: металлические стержни и кюветы с различными жидкостями .

Зная материал и длину стержня, полагая площадь его сечения постоянной мы получали частоту поляризации стержня, при которой наступает резонанс с последующим переизлучением .

Зная материал и длину стержня, полагая площадь его сечения постоянной, можно вычислить частоту его поляризации. Варьируя длины метаатомов, достигается резонанс с излучаемой электромагнитной волной .

УДК 53.082.64 Применение болометра на эффекте электронного разогрева с планарной антенной в спектроскопии среднего инфракрасного диапазона С. Малашевич1, O. Бендеров1, Ю. Лобанов2, M. Щербатенко2, А.В.Родин1 Московский физико-технический институт (государственный университет)

–  –  –

Исследована возможность применения болометра на основе сверхрповодниковых наноструктур (hot electron bolometer, HEB) в качестве высокочувствительного широкополосного приемника инфракрасного излучения, в частности, в качестве смесителя для регистрации инфракрасного излучения в гетеродинном режиме с полосой преобразования до 3,5 ГГц. Болометр представляет собой сверхпроводящий наномостик из тонкой пленки NbN, расположенный в фидере золотой планарной спиральной антенны, оптимизированной для работы на длине волны 10 мкм [1] .

Быстрый отклик и высокая чувствительность сверхпроводникового болометра определяют перспективность его использования как в прямом, так и в гетеродинном режиме детектирования. В зависимости от амплитуды сигнала на промежуточной частоте, образуемого в результате смешения исследуемого сигнала с излучением гетеродина, в качестве которого выступает стабилизированный квантово-каскадный лазер, происходит модуляция сопротивления болометра, что, в свою очередь, вызывает модуляцию сигнала на выходе детектора. Первый эксперимент в режиме гетеродинного детектирования для среднего инфракрасного диапазона был проведен для болометра без планарной антенны, имеющего размеры чувствительного сверхпроводящего участка около 20 мкм [2] .

При работе в болометрическом (прямом) режиме детектирования оптическое излучение, попадая на болометр, поглощается электронной подсистемой сверхпроводниковой пленки, разрушая куперовские пары, отвечающие за сверхпроводимость, в результате чего меняется сопротивление образца. Приложенное постоянное смещение позволяет фиксировать изменение сопротивления образца. Для эффективной фокусировки падающего излучения HEB был отцентрирован и зафиксирован на плоской поверхности, вытянутой полусферической короткофокусной линзы диаметром 4 мм, совпадающей с ее фокальной плоскостью. Для согласования размеров площадки антенны с размерами фокального пятна использовалось установленное снаружи криостата внеосевое параболическое зеркало .

Были экспериментально измерены диаграммы направленности и значения эффективности квазиоптической системы, состоящей из болометра с линзой, для длин волн 7,8 и 10,4 мкм .

Эффективность поглощения болометра была оценена с использованием метода изотерм [3] .

Литература

1. Shcherbatenko M., Lobanov Y., Benderov O., Shurakov A., Ignatov A., Titova N., Finkel M., Maslennikov S., Kaurova N., Voronov B.M., Rodin A.R., Klapwijk T.M., and Gol’tsman G.N Antenna-Coupled 30 THz Hot Electron Bolometer Mixers, 26th International symposium on space terahertz technology, Cambridge, MA, 16-18 March, 2015, P. 27 .

2. Maslennikov S.N., Finkel M.I., Antipov S.V., Polyakov S.L., Zhang W., Ozhegov R., Vachtomin Yu.B., Svechnikov S.I., Smirnov K.V., Korotetskaya Yu.R., Kaurova N.S., Voronov B.M., and Gol'tsman G.N. Spiral antenna coupled and directly coupled NbN HEB mixers in the frequency range from 1 to 70 THz, 17th International Symposium on Space Terahertz Technology, TH3-I, 2006 .

3. P. Khosropanah, W. Zhang, E.L. Kollberg, K.S. Yngvesson, J.R. Gao, T. Bansal, and M. Hajenius, Analysis of NbN Hot Electron Bolometer Receiver Noise Temperatures above 2 THz with a Quantum Noise Model, IEEE Transactions on Applied Superconductivity 19. N 3. 2009 Part. 1. P. 274–277 .

УДК 519.213.1; 623.401 Методика оценки динамики зрительной деятельности человека А.И. Миланич, Б.М. Маркеев, А.Н. Труфанов, В.Б. Маркеев Московский физико-технический институт (государственный университет) Обратимся к теории цветного зрения Юнга–Гельмгольца [1], согласно которой существует три типа цветовых фотоприемников на сетчатке (рис. 1), работающих на стандартных физических Задача Коши в случае динамики явлений переноса обычного йодопсина с концентрацией и принципах (обратимая фотохимическая реакция разложения йодопсина под воздействием света) .

–  –  –

УДК 530.19, 535.14 Расчет квазиклассических параметров фотона А.И. Миланич Московский физико-технический институт (государственный университет) Институт общей физики им. А.М. Прохорова РАН Как известно, фотон является одной из базовых частиц квантовой механики и релятивистской физики, хотя он до сих пор не имеет приемлемого объяснения ряда присущих ему свойств, не говоря о модели или корректных представлений о его структуре. Данная работа – это попытка предложить новый подход к расчету некоторых параметров фотона .

Начнем с ряда противоречий, на которые обычно обращают недостаточно внимания .

В квантовой механике энергия фотона E равна энергии строго монохроматической волны с частотой :

E =, (1) где – постоянная Планка .

Из соотношения (1) следует, что фотон – это бесконечная волна в пространстве и времени, что противоречит принципу неопределенности Гейзенберга и экспериментальному факту, что фотоны всегда имеют конечное время жизни .

Иные проблемы возникают при волновом описании фотона, как электромагнитной волны (следствие решения уравнений Максвелла). Поскольку для стоячей электромагнитной волны существуют моменты времени, когда в силу синфазности и электрическое, и магнитное поля одновременно равны нулю. В эти моменты объемная плотность энергии волны также равна нулю, поэтому энергия фотона в этот момент пропадает бесследно, а затем вдруг возникает из ниоткуда!

И это далеко не все известные для фотона парадоксы .

Существуют различные способы описания движения фотона в пространстве. Например, в радиотехнике принято рассматривать движение электромагнитной волны по кабелю, как процесс движения зарядов по системе распределенных в пространстве индуктивностей и конденсаторов, как это изображено на рис. 1 .

Чтобы использовать предложенный подход для описания движения фотона в пространстве, достаточно считать, что физическое пространство обладает аналогичными параметрами, а именно:

распределенной индуктивностью L и емкостью C. А это значит, что физическое пространство не такое и «пустое»! Кстати, данное предположение снимает парадокс с исчезновением энергии стоячей электромагнитной волны – исчезнувшая энергия передается пространству, а затем возвращается из него .

Концепцию пространства как некоторой физической среды («эфира») предлагали с античных времен, но лишь начиная с Р. Декарта [1] концепция эфира рассматривается как научная гипотеза. Конечно, современные представления о свойствах физического пространства сильно изменились [2] .

В рамках данной работы мы ограничимся лишь процессом распространения фотонов и попытаемся оценить (рассчитать) некоторые макроскопические параметры фотона .

Для представленной на рис.

1 схемы, можно записать волновое сопротивление Z кабеля и период колебаний T системы:

L Z=, (2) C

–  –  –

При условии, что q = e получим полное совпадение формул (1) и (5) То есть можно предположить, что фотон переносит в пространстве связанную систему зарядов (диполь), движение которых и генерирует магнитные и электрические поля. Такие идеи высказывались и прежде [4], но это тоже лишь некоторая итерация, которая не может объяснить, например, дифракцию на нескольких щелях или влияние наблюдателя на результат эксперимента .

Кроме того, нельзя утверждать, что q = e, а изменению величины заряда диполя соответствует перенормировка ряда коэффициентов и величины кванта потока, который пока экспериментально проверен только для сверхпроводника. То есть вопрос о величине заряда q остается открытым и здесь приведена только оценка .

И все же с большой долей вероятности в пространстве движется диполь (или квадруполь), поскольку фотон не отклоняется в электрическом поле. Возможная замена заряда электрона на заряд кварка [2] приведет к незначительному изменению численных коэффициентов в некоторых формулах .

Наконец, проведем численные оценки величины токов и напряжений в пространстве, ассоциированное с движением фотона с длиной волны вблизи 600 нм .

Период колебаний T такого фотона составит ~ 2 10-15 c, сила тока I= e/T ~ 10-4 A = 100 мкА, напряжение U = IR примерно 0,037 В = 37 мВ .

Конечно, все вышесказанное требует экспериментальной проверки, но это всегда легче выполнить, когда основные «радиотехнические» параметры фотона можно рассчитать .

Кроме того, в рамках предложенной модели можно предположить, что вынужденное излучение – это сложение магнитных потоков нескольких фотонов, предложить объяснение поляризации и т.д .

Конечно, предложена очень грубая модель фотона, которая имеет право на существование, но не может объяснить дифракцию единичного фотона на нескольких щелях, явление запутанных фотонов и т.д. Но всегда с чего-то надо начинать…

–  –  –

Литература

1. URL = https://ru.wikipedia.org/wiki/,_Рене Миланич А.И. Дискретная Вселенная без Большого Взрыва. М.: Изд-во ОнтоПринт, 2017. С.114. ISBN 2 .

978- 5-906886-36-1

3. URL = https://ru.wikipedia.org/wiki/Волновое_сопротивление_вакуума Леонтьевич А.Б. Модель фотона // Научный журнал КубГАУ. 2015 № -111(07). С. 1–23 .

4 .

УДК 535.92 Изучение изгибных потерь в волоконно-оптическом халькогенидном разветвителе в среднем ИК-диапазоне Т.С. Тебенева1, О.В. Бендеров1, Б.С. Степанов2, И.А. Нечепуренко3, А.В. Родин1 Рис. 3. Зависимость потерь от радиуса изгиба халькогенидных волокон Литература

1. Жукова Л.В. [и др.]. Волоконные световодны для среднего инфракрасного диапазона. Екатеринбург: УМЦ УПИ, 2016. 247 с .

2. Snopatin G. [et al.]. Churbanov M. High-purity chalcogenide glasses for fiber optics, Inorganic Materials, 2009 .

V. 45. P. 1439 .

3. Schermer R.T., Cole J.H. Improved bend loss formula verified for optical fiber by simulation and experiment // IEEE Journal of Quantum Electronics. 2007. V. 43. P. 899–909 .

УДК 004.932.2 Поляризационное световое поле в задаче трехмерного сканирования объектов В.А. Таамазян Московский физико-технический институт (государственный университет) Рассмотрена задача реконструкции карты нормалей к поверхности трехмерного объекта, а также определения свойств материала в каждой точке объекта с помощью анализа поляризации света, отраженного от неизвестного объекта, а также от объекта с известной формой и свойствами материала (далее – калибровочный объект) .

Классический подход к Форме из Поляризации (ФиП) полагается на отраженный зеркально от объекта неполяризованный свет [1]. Однако в реальном мире крайне сложно добиться полностью неполяризованного освещения, и свет, как правило, частично поляризован, что нарушает базовую гипотезу о неполяризованном мире. В данной работе мы показываем, что подход ФиП может быть успешно использован и в отсутствие предположения о неполяризованном мире, позволяя к тому же разрешить неопределенность азимута и зенита [2], и, таким образом, получить корректную карту нормалей .

Интенсивность света, отраженного от определенной точки объекта и поступившая в пиксель матрицы камеры, пройдя предварительно через поляризатор, может быть выражена в следующем виде:

I max + I min I I ( ) I ( pol ) = + max min cos 2 (pol ), (1) где – фаза поляризованного света, pol – угол поляризатора, I max и I min – максимальная и минимальная интенсивности света [2] .

Рассмотрим частично поляризованный луч света, падающий на некоторую точку объекта .

Интенсивность данного луча можно разбить на следующие 2 компоненты:

–  –  –

Rs где – угол поляризации поляризованной компоненты падающего на точку объекта луча, Rs и R p

– коэффициенты отражения материала для s и p поляризации соответственно в данной точке объекта. При вращении поляризатора и соответственно изменении pol уравнение (3) задает систему, которая может быть разрешена либо для определения отражательных свойств объекта, а также ориентации нормали к данной точке объекта, либо для определения параметров падающего на объект света, а именно I up, I p, и в каждом направлении .

Таким образом, используя калибровочный объект, мы вычисляем I up (, ), I p (, ) и (, ) и составляем световое поле с поляризационной информацией для данной сцены. Далее, используя данное световое поле, мы решаем систему уравнений (3) для нового объекта в каждой точке и определяем как форму объекта, так и коэффициенты отражения. Заметим, что в случае достаточно неоднородного светового поля с поляризационной информацией данный метод позволяет также разрешить -неопределенность определения азимута объекта. Вне зависимости от однородности светового поля данный метод позволяет оценить величину компоненты зенита в нормали к поверхности, так как предполагает вычисление физических свойств поверхности [2] .

Численное решение системы уравнений, задаваемой уравнением (3), производится с помощью метода роя частиц ввиду большого количества локальных минимумов, зависящих также от структуры светового поля .

Литература

1. Atkinson G.A., Hancock E.R. Recovery of surface orientation from diffuse polarization // Image Processing, IEEE Transactions on 15(6). 2006. 1653–1664 .

2. Kadambi A., Taamazyan V, Shi B., Raskar R.. Polarized 3D: High-quality depth sensing with polarization cues. // The IEEE International Conference on Computer Vision (ICCV). 2015. P. 3370–3378 .

СЕКЦИЯ ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ ФИЗИКИ

–  –  –

всех n. Кроме того, келдышевский пропагатор можно связать с заселенностью уровней n = a †a и аномальным квантовым средним = aa, где a, a † – это лестничные операторы:

D K ( T, ) = n(T ) + f1 f 2* + (T ) f1 f 2 + h.c .

(2) Таким образом, в случае постоянной частоты заселенность уровней и аномальное квантовое среднее не растут со временем; такого поведения следовало ожидать, поскольку система не может взаимодействовать с внешним миром, а ее энергия остается постоянной .

В случае адиабатически изменяющейся частоты выражения для келдышевского и запаздывающего/опережающего пропагаторов расходятся так же, как в случае постоянной частоты (1), и от этих расходимостей можно избавиться с помощью аналогичной процедуры. Таким образом, случаи постоянной и адиабатически изменяющейся частоты качественно не отличаются друг от друга. Этот факт связан с адиабатической теоремой [4] из квантовой механики, которая утверждает, что адиабатическое взаимодействие не изменяет собственное состояние гамильтониана, если оно отделено энергетической щелью от остального спектра .

С другой стороны, в случае не адиабатически изменяющейся частоты поправки к келдышевскому пропагатору расходятся сильнее, причем от этого роста нельзя избавиться модификацией вакуумного состояния или перенормировкой частоты:

D0K (T, ) = ( f1 f1* + f1* f 2 ),

–  –  –

D2R (T, ) = O (T ) .

Это указывает на секулярный рост заселенности уровней и аномального квантового среднего, связанный с закачкой энергии в систему. При этом теория возмущений перестает работать, поскольку даже при малых произведение T 1 .

Таким образом, на примере простой системы установлено, при каких условиях квазиклассическое (древесное) приближение можно применять для расчета корреляторов и заселенности уровней – понимание этих условий важно для многих приложений, в частности, для исследования коллапса черной дыры [5, 6], космологической инфляции [7] или рождения частиц в сильных электрических полях [8] .

Литература

1. Schwinger J. Brownian Motion of a Quantum Oscillator // Journal of Mathematical Physics. 1961. 2. 407 .

2. Keldysh L.V. Diagram technique for nonequilibrium processes // Sov. Phys. JETP. 1965. 20. 1018 .

3. Evans T. S. and Steer D. A. Wick's theorem at nite temperature // Nucl. Phys. B. 1996. 474. 481 .

4. Born M. and Fock V. A. Beweis des Adiabatensatzes // Zeitschrift fr Physik A. 1928. 51. (3-4). 165 .

5. Unruh W. G. Notes on black-hole evaporation // Phys. Rev. D. 1976. 14. 870 .

6. Akhmedov E.T., Godazgar H. and Popov F.K. Hawking radiation and secularly growing loop corrections // Phys .

Rev. D. 2016. 93. N 2. 024029 .

7. Giddings S. B. and Sloth M. S. Cosmological diagrammatic rules // JCAP. 2010. 1007. 015 .

8. Akhmedov E.T., Astrakhantsev N. and Popov F.K. Secularly growing loop corrections in strong electric fields // JHEP. 2014. 1409. 071 .

–  –  –

Московский физико-технический институт (государственный университет) Понятие симметрии является центральным в современных физических теориях и позволяет изучать динамику в режимах, недоступных для стандартной теории возмущений .

В моделях компактификаций теории струн наблюдается особый класс симметрий, называемых Tдуальностями, которые нельзя сформулировать для теорий точечных частиц. Поскольку струны являются одномерными объектами, замкнутые струны могут наматываться на нетривиальные циклы компактного пространства, и для описания состояний струны необходимо учитывать не только моды импульса, но и моды намоток. Симметрия относительно Т-дуальности вдоль одномерного тора состоит в том, что массовый спектр возбуждений на такой струне не меняется, при одновременной замене числа мод импульса на число мод намоток и изменении радиуса цикла

R на обратный ему:

a' p w, R. (1) R Для n-мерного тора преобразования Т-дуальности даются правилами Бушера, которые перемешивают метрический тензор Gµ и калибровочное поле Bµ, переводя обычные многообразия в более общие геометрические объекты, называемые Т-образиями (T-fold). В отличие от обычных римановых многообразий, Т-образия глобально определяются только с точностью до преобразования Т-дуальности. Так, преобразования Т-дуальности переводят магнитный партнер фундаментальной струны, NS5-брану, в гравитационный монополь, т. н. KK5-брану, а потом в экзотические браны. Удобно изображать следующую орбиту Т-дуальности NS 5 KK 5 Q5 R5, (2) где экзотические браны Q5, R5 получаются из NS5-браны преобразованиями Т-дуальности .

Геометрия пространства-времени вокруг экзотических бран описывается в терминах геометрии Тобразий. [1] Несмотря на название, экзотические браны являются такими же фундаментальными объектами, как D-браны или сама струна. В последнюю декаду экзотические браны и Т-образия приковывают к себе все больше внимания в связи с феноменологическими приложениями, в основном в задачах компактификации. Самым простым примером компактного пространства является шестимерный тор, однако такие модели страдают от наличия безмассовых скалярных полей, большого числа суперсимметрий и отсутствия неабелевых калибровочных бозонов. Задача генерирования масс для скалярных полей и построения инфляционного потенциала в таких моделях называется проблемой стабилизации модулей [2] .

В моделях флакс-компактификаций проблему стабилизации модулей предлагается решать при помощи потоков калибровочных полей на компактном пространстве и ненулевой кривизны и кручения этого пространства.

Например, интегральный поток тензора напряженности для NS5браны дает массы скалярным полям, отвечающим модулям комплексной структуры [3]:

H mnk dS mnk m = const. (3) S Более пристальное изучение таких моделей показывает, что для полной стабилизации модулей необходимо включать также потоки, генерируемые экзотическими бранами [4] .

В данной работе изучаются свойства экзотических бран, а именно локальные симметрии конфигураций пространства–времени и калибровочных полей вокруг них. Исследование ведется в формализме двойной теории поля в которой струнные симметрии делаются явными за счет удвоения числа пространственных координат. При этом струнные моды импульса соответствуют обычным пространственным координатам в смысле преобразования Фурье, а моды намотки соответствуют новым дуальным негеометрическим координатам. На таком пространстве определяется структура обобщенной геометрии, для которой в настоящее время известны понятия обобщенной производной Ли, обобщенного тензора кривизны и кручения .

Данная работа в основном опирается на результаты статьей [5, 6], в которых было показано, что орбита Т-дуальности, включающая NS5-брану, КК5-монополь и экзотические браны

–  –  –

калибровочного поля H mnk, либо с его Т-дуальными партнерами .

Полученный результат показывает связь геометрических характеристик конфигураций полей для экзотических бран в двойной теории поля и алгебраических свойств соответствующих векторов Киллинга. Дальнейшим развитием данной работы будет поиск спиноров Киллинга, которые соответствуют ненарушенным суперсимметриям рассматриваемых решений .

Биспинорные соотношения между спинорами Киллинга и векторами Киллинга позволит получить связь между геометрическими характеристиками пространства и его BPS свойствами. В качестве одного из возможного применения полученных результатов является поднятие известных решений низкоразмерных расширенных супергравитаций в полную десятимерную теорию, зная интегральные потоки, ассоциированные с такими решениями .

Литература

1. Hull C.M. Global aspects of T-duality, gauged sigma models and T-folds // JHEP. 2007. Vol. 0710. P. 057

2. Grana M. Flux compactifications and generalized geometries // Class.Quant.Grav. 2006. Vol. 23. P. S883–S926

3. Louis Jan, Micu Andrei. Type 2 theories compactified on Calabi-Yau threefolds in the presence of background fluxes // Nucl. Phys. 2002. Vol. B635. P. 395–431 .

4. Hassler Falk, Lust Dieter, Massai Stefano. On Inflation and de Sitter in Non-Geometric String Backgrounds. 2014 .

5. Berman David S., Rudolph Felix J. Branes are Waves and Monopoles // JHEP. 2015. Vol. 05. P. 015 .

6. Bakhmatov Ilya, Kleinschmidt Axel, Musaev Edvard T. Non-geometric branes are DFT monopoles // JHEP. 2016 .

Vol. 10. P. 076 .

УДК 538.9 Перепутанные состояния в одномерной и двумерной модели Кугеля-Хомского В.Э. Валиулин1,2,3, А.В. Михеенков1,2,3, К.И. Кугель4,5, А.Ф. Барабанов1 Институт физики высоких давлений им. Л.Ф.Верещагина РАН Московский физико-технический институт (государственный университет) Национальный исследовательский университет Высшая школа экономики В системах с сильно коррелированными электронами, таких как соединения переходных металлов, тесная взаимосвязь спиновых, орбитальных и зарядовых степеней свободы приводит к необычайному разнообразию фазовых диаграмм и ко многим необычным явлениям, например, к колоссальному магнитосопротивлению. В недопированных соединениях магнетизм обусловлен сверхобменным взаимодействием, приводящим к гамильтониану типа Гейзенберга. В системах с орбитальным вырождением магнетизм обычно описывается спин-орбитальными моделями, в которых спиновое взаимодействие гейзенберговского типа дополняется взаимодействием между орбиталями, а также взаимодействием этих подсистем. Таким образом, орбитали определяют взаимодействие между спинами и наоборот. Однако обменный механизм взаимодействия орбиталей сосуществует и с решеточным (ян-теллеровским) механизмом. При заданном заполнении орбиталей величина и знак обменного взаимодействия задаются правилами Гудинафа-КанамориАндерсона. Такая спин-орбитальная физика может интерпретироваться как обобщение модели Гейзенберга, где обменные интегралы сами являются операторами, зависящими от орбитальных степеней свободы. В результате и спиновое, и орбитальное взаимодействие может быть, как ферротак и антиферромагнитного типа. При этом обменное взаимодействие оказывается сильно фрустрированным даже на квадратной и кубической решетках, что усиливает квантовые эффекты в таких системах. Таким образом, спины и орбитали формируют «запутанное» квантовое состояние, которое вызывает в последнее время значительный интерес. Эта проблема будет рассмотрена на примере симметричной спин-орбитальной модели на линейной и квадратной решетках, воспользовавшись сферически-симметричным самосогласованным подходом, дающим надежные результаты для низкоразмерных спиновых систем .

Модель изучается в рамках сферически симметричного самосогласованного подхода для двухвременных запаздывающих спиновых функций Грина (СССП). Метод (см. [1]) сводится к замыканию цепочки уравнений для функций Грина на втором шаге с выделением спин-спиновых корреляторов. Подход автоматически сохраняет SU(2) симметрию гамильтониана, трансляционную симметрию и спиновый констрейнт на узле. При ненулевой температуре в СССП также автоматически соблюдается теорема Мермина-Вагнера .

Рассматривается случай антиферромагнитного взаимодействия внутри каждой из подсистем и отрицательного межподсистемного обмена. Из трех возможных способов выделения в среднего SiTig (детальное обсуждение использованного приближения см. в [1]). Стоит отметить, среднеполевом представлении ненулевых парных средних оставлен только случай выделения что получаемая таким образом модель имеет и иной физический смысл, она отвечает в 2D двум взаимодействующим плоскостям, а в 1D – двум взаимодействующим цепочкам, то есть лестнице .

В работе получены спин-спиновые (псевдоспин-псевдоспиновые) корреляторы, спектры элементарных возбуждений и теплоемкость в широком диапазоне температур и параметра взаимодействии подсистем .

Литература

1. Каган М.Ю., Кугель К.И., Михеенков А.В. [et al.]. Элементарные возбуждения в симметричной спинорбитальной модели // Письма в ЖЭТФ. 2014. Т. 100. 207 .

2. Kugel K.I., Sboychakov A.O., Streltsov S.V. Role of local geometry in the spin and orbital structure of transition metal compounds// JETP. 2016. V. 149. N 3. P. 562 .

–  –  –

Исследуется квантовое рассеяние двух произвольно ориентированных диполей в плоскости, моделирующее процессы межмолекулярного взаимодействия в ультрахолодном газе полярных двухатомных молекул в одномерных оптических ловушках. Нестабильность дипольных газов в экспериментах с полярными молекулами в оптических ловушках является одной из нерешенных проблем, причиной которой в том числе могут быть резонансы при двухчастичном рассеянии .

Целью данной работы является исследование энергетической зависимости полного сечения дипольдипольного рассеяния для подтверждения резонансной природы возникающих пиков в зависимости полного сечения от параметров системы (радиуса короткодействующего взаимодействия; угла наклона диполей относительно нормали к плоскости движения) .

–  –  –

Литература

1. Koval E.A., Koval O.A., Melezhik V.S. Anisotropic quantum scattering in two dimensions // Physical Review A .

2014. V. 89. N 5. P. 052710 .

2. Koval E.A., Koval O.A. Short-Range Interaction Impact on Two-Dimensional Dipolar Scattering // EPJ Web of Conferences. 2018. V. 173. P. 06008 .

3. Melezhik V.S. New method for solving multidimensional scattering problem // Journal of Computational Physics .

1991. V. 92. N 1. P. 67 .

4. Ticknor C. Two-dimensional dipolar scattering with a tilt // Physical Review A. 2011. V. 84. N 3. P. 032702 .

УДК 530.1 Квантовая теория безмассового скалярного поля в двумерном пространстве Минковского при наличии неидеального движущегося зеркала Л. А. Акопян, Э.Т. Ахмедов Московский физико-технический институт (государственный университет) Институт теоретической и экспериментальной физики Изучено поведение скалярного поля в двумерном пространстве Минковского при наличии неидеального (т. е. пропускающего высокочастотные кванты) движущегося по произвольной траектории зеркала, моделируемого дельта-потенциалом .

Найдены моды разложения скалярного поля в случае зеркала, движущегося по произвольной траектории, показано выполнение канонического коммутационного соотношения на поле и сопряженный импульс .

Рассчитано вакуумное среднее смешанной компоненты тензора энергии-импульса, показано наличие излучения от зеркала, движущегося с ускорением .

Следствием расчетов является то, что в случае неидеального зеркала отсутствуют проблемы, возникающие в задаче идеального зеркала (например, лишние члены в коммутационном соотношении, независимость отражения от частоты волн), а, значит, полученные результаты имеют более осмысленную физическую интерпретацию .

Литература

1. Akhmedov E.T. and Alexeev S.O. // Phys. Rev. D. 2017. 96. N 6. 065001. doi:10.1103/PhysRevD.96.065001 [arXiv:1707.02242 [hep-th]] .

2. Birrell N.D. and Davies P.C.W. doi:10.1017/CBO9780511622632

3. Davies P.C.W. and Fulling S.A. // Proc. Roy. Soc. Lond. A. 1976. 348. 393 .

4. Davies P.C.W. and Fulling S.A. // Proc. Roy. Soc. Lond. A. 1977. 356. 237. doi:10.1098/rspa.1977.0130

5. DeWitt B.S. // Phys. Rept. 19 (1975) 295. doi:10.1016/0370-1573(75)90051-4

6. Astrahantsev L. and Diatlyk O. // arXiv:1805.00549 [hep-th] .

7. Peskin M.E. and Schroeder D.V. // Avalon Publishing, 1995 .

–  –  –

от квазимакроскопических значений ~215 до величины порядка 0,5, а затем необратимо расширяется в бесконечность (рис. 1а). При этом качественно меняется внутренний поток перераспределения плотности вероятности внутри пакета от изначально сходящегося к центру масс к расходящемуся от последнего .

Что же касается текущего положения центра масс ( ) волнового пакета, то при определенных фазах синусоидального воздействия наблюдался эффект кратковременной стабилизации (рис. 1б) вблизи максимума потенциала на время, примерно равное двум «натуральным» периодам перевернутого осциллятора, т. е. 4. Затем следовал предположительно бифуркационный уход в левую либо правую бесконечность. Имеющий место коллапс позволяет детально [3] наблюдать эффект стабилизации прежде необратимого расплывания пакета .

Переключающие направление ухода фазы зависели от относительной частоты гармонического воздействия по закону, переходящему в классическую формулу = при arctg увеличении, а не уменьшении начального разброса 0 1. Этот кажущийся парадокс ставит актуальную проблему применения принципа соответствия для перевернутого осциллятора [2] и для открытых квантовых систем вообще .

Работа выполнена при поддержке РФФИ 16-08-00997 «Исследование нелинейных многочленных управляемых механических систем методами математического и компьютерного моделирования» .

а) б) Рис. 1. а) поведение полуширины пакета во времени при различных начальных значениях; б) кинетика центра масс волнового пакета при почти совпадающих фазах возмущения Литература

1. Bagrov V., Gitman D.Macedo E. [et al.]. Coherent states of inverse oscillators and related problems // J. Phys. A :

Math. Theor. 2013. 46. 325305 .

2. Maamache M. and Choi J.R. Quantum-classical correspondence for the inverted oscillator // Chinese Phys. C .

2017. 41(11). 113106 .

3. Chistyakov V.V. On quantum analogue of dynamical stabilization of inverted harmonic oscillator by time periodical uniform field // Pramana J. Phys. 2018. 91:57 .

УДК 538.975 Статистическая физика взаимодействующих виртуальных кластеров на случайных ультраметрических деревьях А.Н. Хлюпин Московский физико-технический институт (государственный университет) Изучение термодинамики молекулярных систем около стохастически неоднородных поверхностей в наноразмерных геометриях является актуальной проблемой в современной физической химии [1]. Одной из основных задач является вычисление эффективного потенциала взаимодействия молекулы флюида с молекулами твердой фазы, ограниченной случайношероховатой поверхностью. В данной работе развивается теоретический подход на основе усреднения функционала свободной энергии [2] для объяснения температурной зависимости эффективного потенциала взаимодействия в случае сильногетерогенных поверхностей. Данная зависимость наблюдается при моделировании методом Grand Canonical Monte Carlo (GCMC) [3] .

В докладе будет рассмотрена статистическая физика системы из взаимодействующих виртуальных кластеров и продемонстрирована связь данной модели с термодинамикой флюида при взаимодействии с неоднородными поверхностями твердой фазы. Особенностью системы является случайный характер парного потенциала взаимодействия, зависящего от ультраметрического расстояния между кластерами в некотором случайном дереве. Вероятностная модель в ансамбле таких деревьев определяется статистическими свойствами случайной поверхности .

Задача вычисления свободной энергии, усредненной по вероятностной мере случайных полей или случайных парных взаимодействий, естественным образом возникает в теории систем с «замороженным» беспорядком: теории стекол [4], теории спиновых систем на случайных графах [5], при описании термодинамики монослоя на случайно-искривленных поверхностях [6] .

Для осуществления этой процедуры используется метод реплик .

В работе последовательно определяется случайный процесс суммирования на ребрах случайного ветвящегося дерева, приводящий к возникновению ультраметрического потенциала .

Получено нелинейное интегральное уравнение для плотности вероятности эффективных локальных полей, определяющей свободную энергию системы в рамках реплично-симметричного анзаца [7] .

Численный анализ данных уравнений проводится алгоритмами популяционной динамики .

В докладе будут рассмотрены результаты сравнения полученной модели с численным моделированием методом Монте-Карло .

Литература

1. Aslyamov T., Khlyupin A. Density functional theory formulation for fluid adsorption on correlated random surfaces // The Journal of chemical physics. 2017. V. 147. N 15. P. 154703 .

2. Khlyupin A., Aslyamov T. Random Process Theory Approach to Geometric Heterogeneous Surfaces: Effective Fluid–Solid Interaction // Journal of Statistical Physics. 2017. V. 167. N 6. P. 1519–1545 .

3. Forte E. [et al.]. Effective coarse-grained solid–fluid potentials and their application to model adsorption of fluids on heterogeneous surfaces //Physical Chemistry Chemical Physics. 2014. V. 16. N 36. P. 19165–19180 .

4. Erichsen Jr R., Theumann W. K. Phase transitions in the three-state Ising spin-glass model with finite connectivity //Physical Review E. 2011. V. 83. N 6. P. 061126 .

5. Doria F. F. [et al.]. Random field Ising model in a random graph //Physica A: Statistical Mechanics and its Applications. 2015. V. 422. P. 58–65 .

6. Khlyupin A.N. Effects of smooth random surface on fluid monolayer thermodynamics //Journal of Physics:

Conference Series. – IOP Publishing, 2016. V. 774. N 1. P. 012024 .

7. Nikoletopoulos T. [et al.]. Replicated transfer matrix analysis of Ising spin models on ‘small world’lattices //Journal of Physics A: Mathematical and General. 2004. V. 37. N 25. P. 6455 .

СЕКЦИЯ БИОФИЗИКИ

–  –  –

УДК 57.087 Комбинированные измерения митохондриального дыхания и продукции активных форм кислорода в тканях мозга И.О. Зыков1, S. Astori2 Московский физико-технический институт (государственный университет) Laboratory of Behavioral Genetics, Brain Mind Institute, Ecole Polytechnique Federale de Lausanne Лаборатория поведенческой генетики (LGC, Brain Mind Institute, EPFL, Switzerland), на базе которой была проведена работа, исследует механизмы, связывающие личностную тревожность и социальное поведение. Предыдущая работа группы (1) выявила роль митохондриальной функции в прилежащем ядре в стриатуме. При помощи респирометрии высокого разрешения было обнаружено, что у крыс с низким уровнем тревожности митохондриальное дыхание в прилежащем ядре выше по сравнению с крысами с высоким уровнем тревоги. В то же время было показано, что уровень митохондриального дыхания связан с опытом социальной конкуренции. Кроме того, у крыс с низкой тревожностью была обнаружена более низкая продукция активных форм кислорода (АФК). Однако уровень АФК измерялся косвенно с помощью иммуноферментного анализа гидроксиноненала .

Для проведения респирометрии высокого разрешения и измерении флуоресценции продукции H2O2 был использован гомогенат свежеприготовленных участков мозга, содержащих прилежащее ядро. Ткань мозга была получена от молодых взрослых мышей (5–8 недель). Для измерения митохондриального дыхания в прилежащем ядре были использованы оксиграфы «Oroboros Oxygraph-2k» с флуоресцентными LED-модулями, которые позволяют измерять потребление O2 с высоким разрешением. Гомогенеаты прилежащего ядра были разбавлены в буфере MiR05 (2) в различных концентрациях (от 0,05 мг/мл до 2 мг/мл) и вводились в камеры оксиграфа .

В качестве флюрофора для измерения продукции перекиси водорода был использован Amplex UltraRed (AMR). Для катализа реакции H2O2 и AmR использовалась пероксидаза хрена (HRP) .

В результате реакции наблюдалась флюоресценция на красных длинах волн (максимум интенсивности поглощения на длине волны 563 нм, максимум интенсивности излучения на длине волны 587 нм) .

Митохондрии производят АТФ при помощи окислительного фосфорилирования посредством электрон-транспортной цепи. Существует три протонных насоса (комплекс I, III и IV), которые генерируют трансмембранный протонный градиент, используемый для получения АТФ посредством АТФ-синтазы. Измерение дыхания выполнялось путем добавления соединений, которые повышают или угнетают функцию специфических митохондриальных комплексов (рис.

1):

• Малат (m), пируват (p) и глутамат (g) повышают функцию комплексов I и III .

Состояние «LEAK» .

• АДФ (d) способствует функции комплекса I. Состояние «CI» .

• Сукцинат (s) способствует функции комплекса III. Состояние «CI + CII» .

• FCCP (u) uncoupler: функция электрон-транспортной цепь не ограничена стабилизацией градиентов концентрации. Измеряется предельная пропускная способность комплексов I и III. Состояние «ets» .

• Ротенон (rot) блокирует комплекс I. Измеряется максимальная пропускная способность комплекса III. Состояние «ets CII» .

• Антимицин A (ama) блокирует электрон-транспортную цепь. Таким образом, измеряется не относящееся к окислительного фосфорилированию потребление кислорода .

Состояние «rox» .

Был разработан протокол параллельных измерений митохондриального дыхания и продукции АФК в свежей мозговой ткани, а также определены критические этапы калибровки флуоресцентного сигнала и анализа данных .

1. Чувствительность AmR изменяется за время эксперимента (2 ч). Калибровка сигнала флуоресценции должна повторяться в разные моменты времени, измерения флуоресценции должны выполняться относительно ближайшей калибровки (рис. 1). Во избежание значительной потери чувствительности AmR общее время записи должно быть ограничено двумя часами .

2. Как и ожидалось, существует линейная зависимость между уровнем митохондриального дыхания и концентрацией тканей. Однако для значений АФК линейная связь не выполняется для для состояний «ets CII» и «rox» (рис. 2)

3. Нормализация данных по концентрации тканей мозга свидетельствует о невозможности получения достоверных данных об уровне продукции АФК при концентрации менее 0,5 мг/ мл (рис. 3)

4. Наиболее оптимальные результаты для уровней АФК получены при нормализации флуоресцентного сигнала по уровню митохондриального дыхания в состоянии «ets CII» (рис. 4)

–  –  –

Рис. 2. Линейная зависимость уровней потребления кислорода и продукции активных форм кислорода в зависимости от концентрации тканей мозга

–  –  –

Работа выполнена при поддержке фонда «Нева» и Школы наук о жизни Федеральной политехнической школы Лозанны (Лозанна, Швейцария) на базе лаборатории поведенческой генетики Института Мозга Федеральной политехнической школы Лозанны (Лозанна, Швейцария) Литература

1. Hollis F., van der Kooij M.A., Zanoletti O., Lozano L., Canto C., Sandi C. Mitochondrial function in the brain links anxiety with social subordination. Proc Natl Acad Sci USA 2015. 112. 15486–15491 .

2. Komlodi T., Sobotka A., Krumschnabel G., Doerrier C., Bezuidenhout N., Hiller E., Gnaiger E. Comparison of mitochondrial incubation media for measurement of respiration and hydrogen peroxide production. Mitochondrial bioenergetics: methods and protocols, Springer, New York 2018 .

УДК 577.322 Биохимическое и биофизическое исследование CYP136 M.tuberculosis C. Бухдрукер1, Т. Сушко2,3, C. Смольская2,4, А. Василевская2, А. Ковалевский2, Е. Марьин1, С .

Усанов2, В. Борщевский1, Н. Струшкевич2 Московский физико-технический институт (государственный университет)

–  –  –

Туберкулёз – это тяжёлое инфекционное заболевание обычно вызываемое бактерией Mycobacterium tuberculosis. Микобактериальный геном насчитывает 20 цитохромов P450 (MtbCYPs), которые, cогласно существующим данным, играют важную роль в патогенности и жизнеспособности бактерий. Таким образом, изучение CYP-специфичных ингибиторов с высокой вероятностью приведёт к разработке новых лекарств против туберкулёза .

Хотя CYP136 M.tubercuosis является наиболее близким соседом к микобактериальной ланостерол 14-альфа демитилазе (CYP51) – одному из функционально охарактеризованных MtbCYPs, на текущий момент белок изучен плохо. В данной работе было проделано молекулярное клонирование, гетерогенная экспрессия и очистка MtbCYP136 [1]. В отличие от остальных растворимых бактериальных CYPs, для очистки MtbCYP136 необходим детергент, что говорит нам о возможной связи белка с мембраной. Изучение взаимодействий CYP136 с различными лигандами методом УФ-спектроскопи позволило обнаружить сильную связь белка с азол-содержащими соединениями – широко используемыми ингибиторами цитохромов P450. Измерения констант диссоциации (Kd) показали высокую аффиность связывания CYP136 с клотримазолом и эконазолом (Kd = 0.09 мкМ и Kd = 1.7 мкМ соответственно). Также нами было показано, что цитохром вероятно вовлечён в метаболизм липидов. Для измерения параметров связывания различных лигандов нами была использована изотермическая калориметрия (ITC), с помощью которой получилось измерить энтальпию, энтропию и энергию Гиббса для взаимодействия CYP с азолами .

Спектр кругового дихроизма CYP136 показывает наличие в белке альфа-спиральных и беталистовых областей. Для изучения стабильности цитохрома была использована дифференциальная сканирующая калометрия (DSC), которая показала наличие у белка двух точек плавления .

С помощью динамического светорассеяния было показано, что CYP136 в основном находится в мономерной форме .

Цитохрому P450 необходим редокс партнёр для катализа. На данный момент имеется ограниченная информация о взаимодействии микобактериальных CYPs с их природными партнёрами. По данной причине нами были проанализированы параметры связывания потенциального редокс партнёра методом ITC. DSC была использована для оценки изменения термической стабильности в результате взаимодействия цитохрома с партнёром .

Данная работа была поддержена совместным исследовательским грантом Белорусского республиканского фонда фундаментальных исследований (X18P-098) и Российским фондом фундаментальных исследований (18-54-00030) Литература

1. Vasilevskaya A. [et al.]. Molecular cloning, heterologous expression, isolation and ligand-binding properties of the Mycobacterium tuberculosis cytochrome CYP136 // Proceedings of the NASB. Series of chemical sciences. 4, 2012 .

УДК 577.322 Исследование конформационной динамики мембранных белков с помощью индуцированных белком изменений фотофизических параметров флуоресценцентной метки И.В. Маслов1, Н.С. Ильинский1, П.А. Хорн1, В.К. Вистунов1, Н.А. Сафронова1, П.К. Кузьмичёв1, А.М. Максутов1, А.О. Богородский1, Т. Генш2, А.В. Мишин1, В.Г. Черезов1,3, В.И. Борщевский1 Московский физико-технический институт (государственный университет) Институт сложных систем и клеточной биофизики (ICS-4: Cellular Biophysics)

–  –  –

Мембранные белки – технически сложные объекты исследования, однако понимание механизмов их работы необходимо для разработки современных лекарственных средств .

Постоянное развитие методов структурной биологии приводит к углублению знаний о статической структуре мембранных белков и их комплексов с действующими молекулами лекарств. Кроме статических структурных данных для понимания функциональных свойств белка необходима информация о его конформационном пространстве и динамике. Из-за гетерогенности образца и сложности синхронизации состояний различных молекул в его составе такая информация практически недоступна для наблюдения методами, требующими усреднения свойств белка по ансамблю. Удобным методом исследования конформационной динамики мембранных белков, напротив, является флуоресцентная микроскопия одиночных молекул .

В данной работе, чтобы определить число конформационных состояний целевого белка, их населенность и кинетические параметры переходов между состояниями, мы используем чувствительность флуоресцентных меток Cy3 и Cy5 к белковому окружению (PIFE эффект) и измеряем интенсивность, время жизни и анизотропию флуоресценции одиночных флуорофоров, связанных с целевым белком. Для подготовки образца мы оптимизировали протоколы (1) экспрессии, солюбилизации и очистки целевого белка, (2) специфичного мечения мембранного белка флуоресцентной меткой, (3) встраивания целевого белка в нанодиски, (4) иммобилизации нанодисков с белком на поверхности покровного стекла в оптическом пути флуоресцентного микроскопа. Кроме того, мы (5) провели измерения параметров флуоресценции одиночных молекул, свободно диффундирующих в растворе, чтобы оценить чувствительность этих параметров к конформационным изменениям и исключить артефакты иммобилизации .

Данная работа была поддержана Министерством образования и науки Российской Федерации, проект №6.9909.2017/ВУ .

УДК 577.352.27 Дизайн и синтез новых амфифильных полимеров для изучения мембранных белков методом поверхностного плазмонного резонанса А.Э. Михайлов, П.К. Кузьмичев, В.В. Чупин Московский физико-технический институт (государственный университет) На сегодняшний день изучение мембранных белков (МБ) является актуальной проблемой .

В данной работе мы предложили новый подход к изучению взаимодействий между лигандами и их рецепторами при помощи метода поверхностного плазмонного резонанса (ППР). Основным преимуществом метода ППР над традиционными является возможность точного измерения кинетики взаимодействия лиганда с белком-рецептором .

Основными проблемами при исследовании МБ методом ППР является низкая растворимость МБ в водных буферных растворах, для решения которой могут быть использованы амфифильные полимеры, а также необходимо разработать эффективный способ иммобилизации на поверхность чипа, например, использовать чип с нанесенным белком стрептавидином .

Нами был предложен новый подход для иммобилизации мембранных белков, для которого был синтезирован новый солюбилизирующий амфифильный полимер. Он представляет собой уже известный ранее амфифильный полимер (А8-35) [1] и пептид – лиганд стрептавидина .

Твердофазным методом нами были синтезированы два пептида-лиганда: WSHPQFGG и GGGGCWHPQAGC (с внутримолекулярной дисульфидной связью). Каждый из них имеет специфичную для взаимодействия со стрептавидином последовательность HPQ. Пептид-лиганд GGGGCWHPQAGC показал хорошее сродство к стрептавидину, в отличие от другого пептида WSHPQFGG. В дальнейшем нами будет подробно изучено связывание конструкции A8-35GGGGCWHPQAGC со стрептавидином и солюбилизация мембранных белков в водных растворах .

Работа выполнена при поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации (грант номер 6.3157.2017/PP) .

Литература

1. Popot J.-L. Membrane Proteins in Aqueous Solutions. Biological and Medical Physics Biomedical Engineering Cham. Springer International Publishing, 2018. 708 p .

УДК 577.22 Исследования сенсорного домена бактериальной гистидин киназы QseС И.М. Гончаров, В.В. Назаренко, А. Ремеева, И.Ю. Гущин Московский физики-технический институт (государственный университет) Желудочно-кишечный тракт (ЖКТ) представляет собой место наиболее сложной гетерогенной среды у млекопитающего, где большая часть микробной флоры находится в толстой кишке [1]. Бактериальная флора необходима млекопитающему для корректного усваивания питательных веществ [2]. Среди бактерий существуют патогены, которые при попадании в организм могут быть причиной различных кишечных заболеваний. Благодаря большому разнообразию и плотности бактерий в желудочно-кишечном тракте происходит их взаимодействие друг с другом и с организмом посредством различных сигнальных систем [3] .

Одной из таких сигнальных систем является кворум-чувствительная сигнальная система, включающая в себя два белка QseC и QseB. В этой двухкомпонентной системе QseC является бактериальным адренергическим рецептором, который активирует транскрипцию генов вирулентности через белок-регулятор ответа QseB. QseC способен чувствовать присутствие адреналина и норадреналина, а также реагирует на присутствие бактериального автоиндуктора 3 (AI-3) [4]. Учитывая то, какую роль играет эта система в бактериальной вирулентности, характеризация этого сигнального механизма может способствовать разработке новых антимикробных препаратов .

В данной работе изучался сенсорный домен бактериальной гистидин киназы QseC. Для проведения исследований были созданы четыре генетические конструкции: две конструкции, содержащие только сенсорный домен и две генетические конструкции, которые помимо сенсорного домена содержали еще флуоресцентный LOV домен. В данной работе удалось показать, что заряженные трансмембранные участки -спиралей играют большую роль в стабилизации сенсорного домена. Помимо этого, удалось определить буферные компоненты, способные улучшить стабильность белка. Также было показано, как флуоресцентные химерные конструкции могут быть полезны в экспериментах по изучению взаимодействия белка с лигандом, а также при контроле экспрессии и очистки .

Исследования проводятся при поддержке РНФ (проект № 18-74-10053) .

Литература

1. Berg R.D. The indigenous gastrointestinal microflora // Trends Microbiol. 1996. 4. 430–435 .

2. Hooper L.V. Commensal Host-Bacterial Relationships in the Gut // Science. 2001. 292. 1115–1118 .

3. Krell T. [et al.]. Bacterial Sensor Kinases: Diversity in the Recognition of Environmental Signals // Annu. Rev .

Microbiol. 2010. 64. 539–559 .

4. Clarke M.B., Hughes D.T., Zhu C., Boedeker E.C. & Sperandio V. The QseC sensor kinase: A bacterial adrenergic receptor // Proc. Natl. Acad. Sci. 2006. 103. 10420–10425 .

УДК 577.22 О тесной связи воспалительных процессов и старения организма Н.А. Сафронова Московский физико-технический институт (государственный университет) Старение само по себе болезнью не является. С возрастом организм накапливает в себе множество разных молекулярных и клеточных сбоев, которые в совокупности приводят к отклонениям в тканях и органах и в дальнейшем к заболеваниям .

Есть несколько свидетельств о том, что старение тесно взаимосвязано с воспалительными процессами в организме:

Иммунная система с возрастом теряет свой потенциал;

1 .

Редокс-статус организма с возрастом меняется, а свободные радикалы могут 2 .

вызывать реакции иммунного ответа;

ВИЧ-инфицированные пациенты претерпевают преждевременное старение .

3 .

В данной работе сначала будут рассмотрены основные теории старения человека, затем дана общая информация о воспалительных процессах и их молекулярных механизмах. В заключение будут перечислены основные возрастные заболевания и участие медиаторов воспаления в их развитии .

УДК 577.352.332 Моделирование белок-липидного комплекса ротора АТФ-синтазы О.С. Новицкая, П.И. Буслаев, И.Ю. Гущин Московский физико-технический институт (государственный университет) АТФ-синтаза представляет собой крупный мультибелковый ферментативный комплекс, который был обнаружен во всех царствах живых организмов, в частности в клеточных мембранах бактерий, в митохондриях и хлоропластах эукариот. В состав комплекса входят две субъединицы, одна из которых находится в растворе, а вторая – в липидном бислое (рис. 1). Образованное 8–15 ссубъединицами с-кольцо содержится в мембранной части белка и вращается в липидном окружении во время процесса синтеза молекул АТФ. Несмотря на давний интерес к АТФ-синтазе, только недавно были получены атомные структуры высокого разрешения отдельных с-колец и всего комплекса. В данной работе, мы предлагаем компьютерный метод для сборки белок-липидных систем с-колец. Полученные структуры остаются устойчивыми в моделировании на протяжении долгого времени, а положения липидов хорошо соотносятся с экспериментальными данными (рис .

1) .

Рис. 1. Экспериментально определенная структура АТФ-синтазы из шпината (слева) и сравнение полученных положений липидов с экспериментальными электронными плотностями (справа)

–  –  –

УДК 577.29 Молекулярные механизмы G-белковой активации, исследованные микроскопией одиночных молекул и двухфотонной поляризационной микроскопией В. Вистунов1, Д. Олейник2, А. Бондарь3 Московский физико-технический институт (государственный университет) Educational and Scientific Center “Institute of Biology and Medicine”, Taras Schevchenko National University of Kiev Augusta University, Georgia, USA Гетеротримерные G-белки являются важными игроками в передаче сигналов рецепторами, сопряженными с G-белком (GPCR). Несмотря на многочисленные исследования, некоторые биологические механизмы G-белковой активации остаются неясными [1]. В данной работе мы сосредоточились на двух вопросах передачи сигналов посредством G-белков .

Во-первых, мы определили, что G-белки двух разных семейств претерпевают разные гетеротримерные превращения. Мы показали, что Gi-белки (ингибирующие) диссоциируют на свободные субъединицы Gi и димеры G, в то время как Gs-белки (стимулирующие) подвергаются перегруппировке после активации GPCR. Для того чтобы обнаружить белокбелковые взаимодействия в живых клетках, мы применили двухфотонную поляризационную микроскопию [2] .

Во-вторых, мы экспериментально проверили гипотезу, что G-белки проводят недостаточно времени в клатриновых структурах (CCSs) для их координированной интернализации вместе с GPCR. Мы разработали алгоритм анализа данных, полученных с помощью микроскопии одиночных молекул, который вычисляет средние времена локализации частиц в CCSs, а также определяет тип диффузионного движения белков на клеточной мембране. Мы обнаружили, что большая часть 2адренорецепторов проводит примерно 500 мс в клатриновых структурах после стимуляции лигандом, в то время как средний интервал пребывания G-белков в CCSs составляет всего 150 мс .

Таким образом, наши результаты показывают, что различные семейства G-белков проявляют различные формы гетеротримерного превращения и что перемещения молекул рецептора и молекул G-белка в эндосомы, для последующей сигнальной трансдукции оттуда, реализуются двумя разными механизмами .

Литература

1. Bondar A. and Lazar J. Dissociated GGTP and G subunits are the major activated form of heterotrimeric Gi/o proteins // J. Biol. Chem. 2013 V. 293 P. 121-132 .

2. Lazar J. [et al.] Two-photon polarization microscopy reveals protein structure and function // Nat. Meth. 2011 V .

1038 P. 13-21 .

–  –  –

Light-Oxygen-Voltage (LOV) домены являются консервативными частями фоторецепторов растений, бактерий и грибов, связывающими флавинмононуклеотид (ФМН) в качестве хромофора и действующими как синие светочувствительные элементы этих фоторецепторов .

Фотовозбуждение флавинового хромофора индуцирует в LOV-доменах конформационные изменения, которые приводят к активации различных эффекторных доменов, таких как киназы, эстеразы и ДНК-связывающие мотивы. С недавнего времени LOV-домены используются в разработке новых флуоресцентных репортерных белков (так называемых флавин-связывающих флуоресцентных белков, FbFPs), которые из-за их способности флуоресцировать в анаэробных условиях, быстрой кинетики сборки, а также небольшого размера ~ 12–16 кДа стали многообещающей репортерной системой для количественного анализа биологических процессов в реальном времени [1] .

В данной работе представлен небольшой термостабильный флавин-связывающий белок CagFbFP, полученный из LOV-домена растворимой гистидинкиназы термофильной бактерии Chloroflexus aggregans. Белок CagFbFP имеет длину 107 аминокислотных остатков и состоит только из основного консервативного участка LOV-домена, в котором отсутствуют спирали A' и J, участвующие в передаче сигнала. Белок является термостабильным с температурой плавления около 66 °С, которая не зависит от концентрации NaCl; также он подвергается рефолдингу в растворах, содержащих до 500 мМ NaCl. В кристаллической структуре CagFbFP, полученной с разрешением 1,07, было обнаружено, что ключевой сигнальный остаток глутамина 148 находится в двух альтернативных конформациях. Как кристаллическая структура, так и эксперимент с малоугловым рассеянием показали, что белок является димером. В целом белок представляет собой многообещающую модель для структурных исследований LOV-доменов и может быть использован в качестве флуоресцентного репортера .

Исследования проводятся при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проект № 18-34-00742) .

Литература

1. Wingen Marcus, Potzkei Janko, Endres Stephan, Casini Giorgia, Rupprecht Christian, Fahlke Christoph, Krauss Ulrich, Jaeger Karl-Erich, Drepper Thomas, Gensch Thomas. The photophysics of LOV-based fluorescent proteins – new tools for cell biology // Photochemical & Photobiological Sciences. 2014. V. 13. P. 875-883 .

УДК 576.08 Исследование динамики митохондриальной сети при помощи фотоконвертируемого белка Dendra2 И.В. Маслов, Д.С. Буркатовский, И.О. Зыков, А.О. Богородский, В.И. Борщевский Московский физико-технический институт (государственный университет) Баланс между процессами слияния и деления митохондрий формирует фенотип митохондриальной сети, и является крайне важным для её надлежащего функционирования .

Паталогии динамики митохондриальной сети ассоцируют с болезнями сердечно-сосудистой и нервной систем, связанными с возрастом .

Для изучения динамики митохондриальной сети при помощи флуоресцентной микроскопии мы создали клеточную линию HEK293 (human embryonic kidney), стабильно экспрессирующую фотоконвертируемый флуоресцентный белок Dendra2 [1], таргетируемый в митохондрии. Для этого мы трансдуцировали клетки HEK при помощи лентивирусного вектора и изолировали единичный клон с высоким уровнем экспрессии белка. Таким образом, мы получили генетически однородную популяцию клеток с постоянным уровнем экспрессии белка Dendra2 .

Нам удалось добиться высокоточной, выборочной конверсии белка Dendra2 в определяемых нами областях митохондриальной сети и наблюдать перераспределение сигнала от фотоконвертированного белка по разным частям клетки с течением времени. Для количественного исследования митохондриальной морфологии мы использовали алгоритмы обработки изображений, реализованные в плагине MiNa для ImageJ [2], а также предложили другой количественный подход к анализу данных, основанный на колоколизации конвертированной и неконвертированной компонент .

В качестве стартовой точки наших экспериментов по анализу дисфункции митохондрий мы индуцировали изменения в митохондриальной сети при помощи окислительного стресса (посредством воздействия H2O2) и вещества, сбрасывающего мембранный потенциал (CCCP, carbonyl cyanide m-chlorophenylhydrazon) .

Работа была выполнена в рамках правительственного задания (Министерство образования и науки Российской Федерации, проект №6.9909.2017/ВУ) Литература

1. Chudakov D.M., Lukyanov S. & Lukyanov K.A. Using photoactivatable fluorescent protein Dendra2 to track protein movement // Biotechniques 2007. V. 42. P. 553–565 .

2. Valente A.J., Maddalena L.A., Robb E.L., Moradi F. & Stuart J.A. A simple ImageJ macro tool for analyzing mitochondrial network morphology in mammalian cell culture. // Acta Histochem. 2017. V. 119, P. 315–326 .

УДК 577.353.332 Применение метода главных компонент для исследования динамики липидов в мембранных системах П. Буслаев, Х. Мустафин, И. Гущин Московский физико-технический институт (государственный университет) Моделирование мембранных систем методом молекулярной динамики (МД) является удобным подходом для определения как свойств самих мембран, так и аспектов взаимодействия мембран с небольшими молекулами и белками [1]. В основе МД лежит численное решение уравнений классической механики Ньютона для системы взаимодействующих частиц, что позволяет рассчитать эволюцию координат всех атомов изучаемой системы во времени .

В настоящий момент существуют различные методы для анализа полученных данных о конформационной динамике мембранных систем, однако все они скорее качественные, чем количественные. В данном докладе представлен метод анализа динамики мембранных систем на уровне отдельных молекул липидов при помощи метода главных компонент. Такой подход позволяет количественно описать и сравнить происходящие в мембранах движения [2]. С помощью метода анализа конформаций молекул липидов сравниваются различные наборы параметров, описывающих взаимодействия между атомами в мембранных системах [2, 3], описываются сложные мембранные системы, такие как гексагональная липидная фаза и липидная везикула, а также описываются такие явления, как фазовый переход, упорядочение (ordering effect) и эффект конденсации. Для ускорения процесса анализа конформаций молекул липидов методом главных компонент планируется разработать программное обеспечение на базе языка Python. Это позволит значительно быстрее и точнее описывать поведение разнообразных мембранных систем .

Рис. 1. Анализ конформаций молекул липида методом главных компонент

Литература

1. Lindahl E.R. Molecular Dynamics Simulations // Meth. Mol. Biol. 2008. V. 443 P. 3–23 .

2. Buslaev P., Gordeliy, Grudinin S., Gushchin I. Principal component analysis of lipid molecule conformational changes in molecular dynamics simulations // J. Chem. Theory Comput. 2016. V. 12 N 3 P .

1019-1028 .

3. Buslaev P., Gushchin I. Effects of Coarse Graining and Saturation of Hydrocarbon Chains on Structure and Dynamics of Simulated Lipid Molecules // Scientific Reports. 2017. V. 7 .

–  –  –

Институт структурной биохимии ICS-6, Исследовательский Центр Юлих, Германия Институт структурной биологии, Университет Гренобля, Гренобль, Франция

–  –  –

Флавин-связывающие флуоресцентные белки (FbFPs) – это небольшие, не зависящие от кислорода флуоресцентные белки, происходящие из семейства LOV(Light Oxygen Voltage)-доменов растений, бактерий и грибов. Они связывают флавин-мононуклеотид (FMN) в качестве хромофора и отвечают за чувствительность организмов к голубому свету. Одним из ключевых аминокислотных остатков для белков данного класса является глутамин, расположенный в непосредственной близости от хромофора и играющий центральную роль в передаче сигнала. Предполагается, что мутирование данного остатка может оказывать влияние на оптические свойства белков [1, 2], однако на сегодняшний день нет никаких экспериментальных данных о структуре таких мутированных белков и об изменении хромофорного окружения в связи с мутациями .

В данной работе представлены результаты биофизических и структурных исследований вариантов термостабильного флавин-связывающиго флуоресцентного белка из термофильной бактерии Chloroflexus aggregans (CagFbFP) с мутациями ключевого глутамина на различные полярные и заряженные аминокислоты. Спектры абсорбции и флуоресценции демонстрируют сдвиг в голубую область максимумов поглощения и излучения флуоресценции (до 9 нм) для мутированных вариантов в сравнении с исходным CagFbFP. Исследования теромостабильности образцов показали, что мутированные варианты в целом менее стабильны, чем CagFbFP, что может препятствовать проведению исследований подобных мутаций в случаях, когда начальный LOVдомен не термостабилен. Все изучаемые белки с мутациями были успешно закристаллизованы, пространственные структуры высокого разрешения определены и позволили наблюдать различные варианты организации хромофор-связывающей области белка .

Данное исследование выполнено при поддержке РНФ (проект № 18-74-00092) .

Литература

1. Davari M.D., Kopka B., Wingen M., Bocola M., Drepper T., Jaeger K.E., Schwaneberg U., Krauss U .

Photophysics of the LOV-Based Fluorescent Protein Variant iLOV-Q489K Determined by Simulation and Experiment // J. Phys. Chem. B. 2016. V. 120. P. 3344–52 .

2. Khrenova M.G., Nemukhin A.V., Domratcheva T. Theoretical Characterization of the Flavin-Based Fluorescent Protein iLOV and its Q489K Mutant // J. Phys. Chem. B. V. 119. P. 5176–83 .

УДК 57.085.25 Новые возможности применения кремниевых наночастиц в биофотонике А.В. Скобёлкина1, Ф.В. Кашаев1, Д.В. Шулейко1, А.В. Колчин1, Д.А. Куракина2, А.В. Хилов2 Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова

–  –  –

Кремний является одним из важнейших микроэлементов в организме человека, встречается во многих тканях и органах, таких как легкие, надпочечники, трахеи, кости и связки. Кремниевые наночастицы (КНЧ) активно применяются для диагностики и лечения различных заболеваний, имплантологии, биомолекулярного скрининга [1, 2] благодаря высокой биосовместимости, биодоступности, биодеградируемости и низкого уровня токсичности данного материала [2, 3] .

Особую роль для биологического применения играют наночастицы на основе пористого кремния (ПК) [1, 4]. Поры способны вмещать в себя крупные органические молекулы, что может быть использовано для доставки лекарств. Кроме того, в ПК проявляются квантово-размерные эффекты, благодаря которым КНЧ проявляют эффективную фотолюминесцецнию (ФЛ) в видимом и ближнем инфракрасном диапазонах спектра. Пик ФЛ, как правило, попадает в диагностическое окно прозрачности биотканей (700–1300 нм), что позволяет использовать рассматриваемые КНЧ в качестве ФЛ-маркеров в живых организмах для диагностики различных заболеваний .

В настоящей работе предлагается последовательно использовать методы электрохимического травления (формирование слоев ПК) и пикосекундной лазерной абляции в дистиллированной воде, этаноле и жидком азоте для получения КНЧ. Применение двух данных технологий открывает широкие перспективы по одновременному достижению как эффективных ФЛ и светорассеяния в ансамблях КНЧ, так и малых (менее 20 нм) размеров последних для успешного использования в биофотонике .

Ансамбли наночастиц, сформированных при абляции в этаноле и жидком азоте, проявляют эффективную ФЛ с пиком, попадающим в диагностическое окно прозрачности биоткани (с максимумом 720 нм для случая лазерной абляции в этаноле, 740 нм – в жидком азоте). Также зарегистрировано увеличение более чем на порядок времен затухания ФЛ в аблированных КНЧ (до десятков и сотен микросекунд) по сравнению с исходными пленками ПК за счет уменьшения размеров кремниевых нанокристаллов в результате лазерной абляции. Ввиду относительно малых размеров данных КНЧ (минимальный размер составлял 4 нм) и эффективной ФЛ в диагностическом окне прозрачности биотканей полученные наночастицы могут быть использованы в качестве ФЛмаркеров при визуализации живых организмов .

Кроме того, методом спектрофотометрии исследованы оптические характеристики суспензий полученных кремниевых наночастиц. Показано, что рассматриваемые суспензии в дистиллированной воде (рис. 1а) и этаноле (рис. 1б) обладают коэффициентами рассеяния света a ~ 0.1 мм–1, достаточными для их использования в качестве контрастирующих агентов в методе оптической когерентной томографии (ОКТ). Для рассматриваемых образцов с ростом длины волны наблюдается монотонное уменьшение коэффициента поглощения a в диапазоне длин волн 400–800 нм до близких к нулю значений, начиная с 700 нм. Такое поведение спектральной зависимости связано с уменьшением поглощения кристаллического кремния в красной области спектра. В спектральном интервале 900–1000 нм наблюдается рост a, обусловленный поглощением жидкости (воды или спирта) .

При добавлении КНЧ в фантомы биотканей (агаровый гель) с искусственными неоднородностями, имитирующими кожные поры, благодаря эффективному светорассеянию используемых контрастирующих агентов было зафиксировано существенное увеличение сигнала ОКТ: с 7,7 дБ для агарового геля без частиц до 13,5дБ с частицами мезопористого кремния, аблированными в воде. Таким образом, рассмотренные в нашей работе КНЧ представляют несомненный интерес для дальнейшего их исследования в качестве контрастирующих агентов в ОКТ для визуализации структурных элементов биотканей, включая случаи адресной доставки .

Рис. 1. Спектры коэффициентов рассеяния s – 1 и поглощения a – 2 для образцов мезопористого кремния, аблированного в дистиллированной воде (а) и этаноле (б) Работа выполнена при финасовой поддержке РФФИ (грант № 18-32-00884 мол_а). Авторы благодарят М.Ю. Кириллина, Л.А. Голованя и С.В. Заботнова за плодотворные обсуждения результатов работы, Д.Е. Преснова – за анализ размеров КНЧ методом растровой электронной микроскопии .

Литература

1. Kirillin M.Yu., Sergeeva E.A., Agrbа P.D., [et al.] // Laser Physics. 2015. 25. 1 P .

2. Almeida P.V., Shahbazi M.A., Correia A. [et al.] // Future Medicine. Ltd 2017. 34 P .

Тимошенко В.Ю., Кудрявцев А.А., Осминкина Л.А. [и др.] // Письма в ЖЭТФ. 2006. 83, № 9. 492 С .

3 .

4. Gongalsky M.B., Osminkina L.A., Pereira A. [et al.] // Scientific reports. 2016. 6. 1 P .

УДК 577.352.332 Структурные исследования гомолога глутаматного транспортёра из Pyrococcus horikoshii Р. Асташкин1,2, К. Ковалёв1,2,3,4, Е. Зиновьев1,3, К. Баeкен 3, Т. Баландин 2, К. Фальке 5, В. Горделий1,2,3 Московский физико-технический институт (государственный университет) Institut de Biologie Structurale Jean-Pierre Ebel, Universit Grenoble Alpes–Commissariat l’Energie Atomique et aux Energies Alternatives–CNRS, Grenoble, France .

Institute of Complex Systems (ICS), ICS-6: Structural Biochemistry, Research Centre Jlich, Jlich, Germany Institute of Crystallography, University of Aachen (RWTH), Aachen, Germany Institute of Complex Systems, Zellulre Biophysik (ICS-4), Forschungszentrum Jlich, Jlich, Germany .

Глутамат — один из наиболее распространённых нейромедиаторов в нервной системе позвоночных.

Существует два основных семейства белков, контролирующих транспорт глутамата:

транспортеры возбуждающих аминокислот (EAAT) и везикулярные глутаматные транспортеры (VGLUT). EAAT — белки, зависимые от натрия, которые перемещают глутамат из синаптической щели обратно в нейроны и клетки глии[1]. Предполагается, что нарушения в экспрессии или функционировании этих белков связаны с большим количеством заболеваний: от болезни Альцгеймера до шизофрении[2]. Белок GltPh из археи Pyrococcus horikoshii имеет 37%-ную гомологию с EAAT и является моделью для исследования EAAT [3]. Существует несколько структур этого белка с разрешением до 2,97 [4], полученных с помощью метода кристаллизации in surfo. В данной работе мы представляем структуру белка GltPh из Pyrococcus horikoshii разрешения 2,6, полученную методом кристаллизации in meso. Белок был экспрессирован в E.coli и кристаллизован в липидной кубической фазе моноолеина. Структура более высокого разрешения открывает возможности для более точной молекулярной динамики для лучшего понимания принципов работы глутаматного транспортера и его важных для медицины мутантов .

Литература

1. Zerangue N., & Kavanaugh M.P. Flux coupling in a neuronal glutamate transporter // Nature. 1996. 383(6601) .

634 .

2. Kim A.H., Kerchner G.A., & Choi D.W. (2002). Blocking excitotoxicity. In CNS neuroprotection (pp. 3-36) .

Springer, Berlin, Heidelberg .

3. Machtens J.P., Kortzak D., Lansche C., Leinenweber A., Kilian P., Begemann B.,... & Fahlke C. Mechanisms of anion conduction by coupled glutamate transporters // Cell. 2015. 160(3). 542–553 .

4. Boudker O., Ryan R.M., Yernool D., Shimamoto K., & Gouaux E. Coupling substrate and ion binding to extracellular gate of a sodium-dependent aspartate transporter // Nature. 2007. 445(7126). 387 .

УДК 577.322.4 Экспрессия эукариотической протонной помпы из L.maculans в LEXSY и ее структурный и функциональный анализ Н. Дмитриева1, О. Волков2, Р. Асташкин1,3, К. Ковалев1,2,3,4, Д. Забельский1,2, В. Горделий1,2,3 Московский физико-технический институт (государственный университет) Institute of Complex Systems (ICS), ICS-6: Structural Biochemistry, Research Centre Jlich Institut de Biologie Structurale Jean-Pierre Ebel, Universit Grenoble Alpes–Commissariat l’Energie Atomique et aux Energies Alternatives–CNRS Institute of Crystallography, University of Aachen (RWTH) Leptosphaeria maculans – повсеместно распространенный патоген семейства грибов, вызывающий фомоз рапса, поражающий культурные и дикорастущие растения семейства крестоцветных и приводящий к потерям урожая семян до 50% [1]. В 2005 году в геноме L.maculans был обнаружен ген похожего на бактериородопсин белка, который стал первым микробным родопсином, найденным в грибах. Было показано [2], что родопсин из Leptosphaeria (LR) может ковалентно связывать ретиналь и аналогично бактериородопсину может прокачивать протоны против градиента концентрации. Несмотря на интерес к функциональным свойствам LR и возможность использования его в качестве оптогенетического инструмента [3], на данный момент структура белка не была получена .

В данной работе была показана возможность рекомбинантной экспрессии генов полноразмерного (1–313) и укороченного (49–313) LR в клетках L.tarentolae. Белок был солюбилизирован в DDM и был очищен с помощью металл-хелатной хроматографии и гельфильтрации. Выход составил 9 мг/л для укороченной конструкции и 15 мг/л для полноразмерного белка, средний peak ratio (отношение величины пика поглощения на длине волны 280 нм к величине пика поглощения на 540 нм) составил 1,4. Результаты флеш-фотолиза показывают, что очищенный белок имеет схожий с бактериородопсином фотоцикл, что хорошо согласуется с результатами из литературы, полученными для белка, экспрессировавшегося в P.pastoris [2,4]. Для экспериментов по прокачке протонов LR был встроен в липосомы POPC:POPS в соответствии с протоколом, описанным в [5]. Несмотря на то, что полноразмерный и укороченный белки имеют одинаковый фотоцикл, было замечено, LR (1–313) в липосомах имеет заметно более высокую эффективность прокачки по сравнению с LR (49–313), что говорит о важности N-концевых аминокислот для функциональной активности белка. Исследование термостабильности подтверждает, что полноразмерный белок более стабилен .

Как укороченная, так и полноразмерная конструкции LR были успешно закристаллизованы in meso по протоколу из [6]. Для кристаллов полноразмерного белка была получена дифракция с разрешением 2,2 и решена структура белка (ID30B, ESRF). Структура имеет характерную для родопсинов семиспиральную архитектуру с необычно длинной B-C петлей, которая частично стабилизирована N-концом белка, что позволяет говорить о структурном обосновании более высокой стабильности белка .

Рис. 1. Результаты флеш-фотолиза для LR(49-313) Работа выполнена при поддержке гранта РНФ (проект 16-15-00242) .

Литература



Pages:   || 2 | 3 | 4 |



Похожие работы:

«Логический контроллер САУ У руководство по эксплуатации Содержание Введение 1 Назначение прибора 2 Технические характеристики и условия эксплуатации 2.1 Технические характеристики прибора 2.2 Условия...»

«Радиосистема передачи извещений ПРОТОН УСТРОЙСТВО СОПРЯЖЕНИЯ ПРОТОН-ПС-Б РУКОВОДСТВО ПО ЭКСПЛУАТАЦИИ ПРОТ.425540.300-04 РЭ УС Протон-ПС-Б Руководство по эксплуатации ПРОТ.425540.300-04 РЭ Предприятие изготовитель ООО НПО "Центр – Протон" 454003, г. Челябинск, ул. Салавата Юлаева, 2...»

«ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТАНДАРТ СОЮЗА СССР КАБЕЛИ МАСЛОНАПОЛНЕННЫЕ НА ПЕРЕМЕННОЕ НАПРЯЖЕНИЕ 110-500 кВ ТЕХНИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ ГОСТ 16441-78 Москва 1990 Содержание 1 . МАРКИ, ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ И РАЗМЕРЫ 2. ТЕХНИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ 2а. ТРЕБОВАНИЯ БЕЗОПАСНОС...»

«ИНСТРУКЦИЯ ПО ЭКСПЛУАТАЦИИ Окрасочно-сушильная камера модели "TRACKER" с дизельной или газовой горелкой ООО "АТИС" +7495 781 15 24 www.atis-auto.ru ИНСТРУКЦИЯ ПО ЭКСПЛУАТАЦИИ ATIS Содержание ГЛАВА 1 ОПИСАНИЕ ОКРАСОЧНО-СУШИЛЬНОЙ КАМЕРЫ 1.1 ОПИСАНИЕ СТРУКТУРЫ 1.1.1 ОСНОВНАЯ КАМЕРА 1.1.2 ГЕНЕР...»

«ВОЗМОЖНЫЕ ПУТИ РАЗВИТИЯ АТОМНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ НА БАЗЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ РЕАКТОРОВ С ВОДЯНЫМ ТЕПЛОНОСИТЕЛЕМ А.Я. Благовещенский, С.М. Бор, В.Н. Митюков Санкт-Петербургский государственный политехниче...»

«РО ССИ Й СКО Е АКЦ И О Н ЕРН О Е ОБЩ ЕСТВО Э Н Е Р Г Е Т И К И И Э Л Е К Т Р И Ф И К А Ц И И Е Э С Р О С С И И Утверж даю Замес г т е л ь 11рсдеедат ел я I Д авления Р А О Т : г)С Р о сси и В.П. В о р о н и н 20 а в густа 2001г. НОРМЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ АВТОМАТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК ВОДЯНОГО ПОЖАРОТУШЕНИЯ КАБЕЛЬНЫХ СООРУЖЕНИЙ Р Д 153-34.0-49.105-01 ЗЛО "ЧИЕРГК...»

«Казарян Самвел Оганесович ЩЕБЕНОЧНО-МАСТИЧНЫЕ АСФАЛЬТОБЕТОНЫ, МОДИФИЦИРОВАННЫЕ ПОРИСТЫМИ ПОРОШКОВЫМИ МАТЕРИАЛАМИ 05.23.05 – Строительные материалы и изделия АВТОРЕФЕРАТ диссертации на сои...»

«Масло цепное адгезионное всесезонное Gazpromneft Chain РПБ № 84035624.02.37852 стр. 3 Oil по СТО 84035624-161-2015 Действителен до 20.04.2020 г. из 16 1 Идентификация химической продукции и сведения о производителе и/или поставщике 1.1 Идентификация химической продукции 1.1.1 Техниче...»

«Коновалов Игорь Сергеевич СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕПЛОВОЙ И ГАЗОДИНАМИЧЕСКОЙ РАБОТЫ ШАХТНЫХ МЕДЕПЛАВИЛЬНЫХ ПЕЧЕЙ Специальность 05.16.02 – Металлургия черных, цветных и редких металлов АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Екатеринбург –...»

«На главную страницу Государственная система документационного обеспечения управления Основные положения Общие требования к документам и службам документационного обеспечения Одобрено коллегией Главархива СССР 27.04.88 Приказ Главархива СССР от 25 мая 1988 г. N 33 1....»

«УТВЕРЖДАЮ Генеральный директор ООО "Автопрогресс-М". С. Никитин преля 2018 г.СТЕНДЫ УНИВЕРСАЛЬНЫЕ КОЛЛИМАТОРНЫЕ ВЕГА УКС-М МЕТОДИКА ПОВЕРКИ МП АПМ 29-18 г. М о ск в а 2 0 1 8 г. Настоящая методика поверки распространяется на стенды универсальные...»

«ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ТЕХНИЧЕСКОМУ РЕГУЛИРОВАНИЮ И МЕТРОЛОГИИ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ГО С ТР СТАНДАРТ МЭК 6 1 8 8 3 -4 РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ АУДИО-/ВИДЕОАП ПАРАТУРА БЫТОВОГО НАЗНАЧЕНИЯ ЦИФРОВОЙ ИНТЕРФЕЙС Часть 4 Передача данных MPEG2-TS (IEC 61883-4:2004, ЮТ) Издание офици...»

«УДК 528.44 К ВОПРОСУ О КАДАСТРОВЫХ РАБОТАХ В ОТНОШЕНИИ РАНЕЕ УЧТЕННЫХ ЗЕМЕЛЬНЫХ УЧАСТКОВ Аврунев Евгений Ильич Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, кандидат технических наук, доцент кафедры кадастра и территориального п...»

«ГОСТ 16441-78 Группа Е42 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТАНДАРТ СОЮЗА ССР КАБЕЛИ МАСЛОНАПОЛНЕННЫЕ НА ПЕРЕМЕННОЕ НАПРЯЖЕНИЕ 110-500 кВ Технические условия Oil-filled cables for alternating voltage 110-500 kV. Specifications ОКП 35 3119 Дата введения 1980-01-01 ИНФОРМАЦИОННЫЕ ДАННЫЕ 1. РА...»

«ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО СТРОИТЕЛЬСТВУ И ЖИЛИЩНО-КОМУНАЛЬНОМУ ХОЗЯЙСТВУ (ГОССТРОЙ) СВОД ПРАВИЛ СП 88.13330.2011 ЗАЩИТНЫЕ СООРУЖЕНИЯ ГРАЖДАНСКОЙ ОБОРОНЫ Актуализированная редакция С Н и П I I 1 1 -7 7 * Издание официальное Москв...»

«Министерство образования и науки Российской Федерации федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ" _ Школа инженерного предпринимательства Направление п...»

«МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ АЭРОКОСМИЧЕСК...»

«AMIT 4(45) 2018 ИССЛЕДОВАНИЕ И ПОИСК ПУТЕЙ РЕШЕНИЯ РЕГИОНАЛЬНЫХ ГРАДОСТРОИТЕЛЬНЫХ ПРОБЛЕМ АЗЕРБАЙДЖАНА УДК 711.2(479.29) ББК 85.118(5Азе) Р. Агазаде Азербайджанский Архитектурно-Строительный Университет, Баку, Азербайджан Аннотация Эконо...»

«Степкина Мария Юрьевна СОЗДАНИЕ АЭРОЗОЛЯ МЕЛКОДИСПЕРСНЫХ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ И ЕГО ПРИМЕНЕНИЕ В ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССАХ Специальность 05.17.08 – Процессы и апп...»

«Dell G5 15 Настройки и технические характеристики Модель компьютера: Dell G5 5587 нормативная модель: P72F нормативный тип: P72F002 Примечания, предостережения и предупреждения ПРИМЕЧАНИЕ: Пометка ПРИМЕЧАНИЕ указывает на важную информацию, которая поможет использовать данное изделие более эффектив...»

«НАРУЖНАЯ ПАНЕЛЬ ДОМОФОНА Руководство по эксплуатации Подключение 4-х абонентов; совместима с 4-х проводными мониторами видеодомофона большинства фирм; вандалозащищенное исполнение; голосовая связь; скрытое видеонаблюдение; встроенная ИК подсветка; подсветка обозначений абонентов; дистанционное уп...»

«Проектная декларация "Многоквартирный жилой дом по генеральному плану 17 в микрорайоне Боровки-3 в г. Барановичи" Информация о застройщике . Застройщик: Дочернее коммунальное унитарное предприятие по капитально...»

«Министерство образования и науки Российской Федерации федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ" Инженерная школа природных ресурсов Напр...»







 
2019 www.librus.dobrota.biz - «Бесплатная электронная библиотека - собрание публикаций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.