В разделе News&Views журнала Nature опубликована статья с комментариями российского физика на исследования научных коллективов Ботвелла и Чжана.

Ведущий научный сотрудник ФИАН Ксения Хабарова рассказывает о последних достижениях в области измерения гравитационного красного сдвига с помощью оптических часов.

Для проверки теории относительности когда-то требовались точные часы, разделенные тысячами километров. Сегодня оптические методы сделали такие измерения возможными в атомном кластере размером не более одного миллиметра.

Для измерения гравитационного замедления времени требуются сверхточные часы. Сейчас точность времени определяется атомными часами, которые отсчитывают время с помощью определения энергии перехода между двумя электронными состояниями в атоме.

Новаторское исследование, проведенное в 2010 году, показало, что сравнение двух атомных часов, разделенных по высоте, позволяет измерить гравитационный красный сдвиг в масштабе менее одного метра. Прогресс, о котором сообщили Чжан и соавторы, улучшает этот подход, а Ботвелл с коллегами даже доводят измерение до субмиллиметрового масштаба с помощью ансамбля ультрахолодных атомов стронция, обладающего рекордным временем когерентности.

В ФИАН ведутся разработки нового поколения оптических часов на атомах тулия.

«Мы ориентированы на транспортируемые оптические часы. Поскольку уже продемонстрировано, что гравитационный красный сдвиг можно измерять на расстояниях порядка 1 мм с помощью облака атомов, то наша цель – научиться применять транспортируемые оптические часы для релятивистской геодезии. Таким образом, можно будет перевозить часы с места на место, измерять градиент гравитационного потенциала на планете» - говорит Ксения Хабарова.

Точность современных оптических часов может соответствовать ошибке менее одной секунды за время существования Вселенной. Такая точность стала возможна благодаря тщательному контролю условий эксперимента, эффективно продлевающему время, в течение которого можно предсказать квантовое поведение атомного ансамбля, известное как время квантовой когерентности. Чем больше время когерентности, тем стабильнее и точнее часы.

«Сейчас мы живем в эпоху, когда возникла необходимость измерять малые величины. Мы уже научились определять местоположение человека с точностью меньше 1 метра с помощью спутников ГЛОНАСС и тех атомных часов, которые расположены на земле. Для того, чтобы просто ходить или ездить по дорогам этого достаточно. Дальше, увеличивать точность нужно и можно. На данный момент мы еще не дошли до того, чтобы запустить оптические часы на орбиту. Также хотелось бы научиться работать с оптическими часами не только в лабораторных, но и в полевых условиях. Это откроет возможности для релятивистской геодезии. Одно из практических применений транспортируемых оптических часов – поиск полостей в земле или мест с большим скоплением плотного материала, которыми могут быть полезные ископаемые. Для этого, в том числе, и нужны сверхчувствительные часы»

Ksenia Khabarova (2022). Atomic clouds stabilized to measure dilation of time
https://www.nature.com/articles/d41586-022-00379-x

Сотрудниками ФИАН в сотрудничестве с ТРИНИТИ, МИФИ и МГУ развивается цикл исследований по созданию новых принципов измерений следовых концентраций частиц в неравновесной низкотемпературной плазме эмиссионными и лазерными методами спектроскопии рекордно высокой чувствительности. Эти задачи возникают при разработке различных химических технологий, газовых лазеров, плазменных термоядерных реакторов и др.

    В последний период 2017-2019 гг. сотрудниками ФИАН в содружестве с ТРИНИТИ, МИФИ и МГУ решается задача детектирования молекул воды в пристеночной плазме термоядерных реакторов. С одной стороны, вода является и охладителем, и рабочим телом электроразрядного термоядерного реактора, с другой – ее появление даже в ничтожных количествах в реакционной камере препятствует направленному проведению ядерных реакций. Для каждого нового поколения опытных реакторов типа ТОКАМАК, исходя из практики работы с ними, требования к минимально допустимому потоку проникновения молекул через первую стенку конкретизируются и неуклонно повышаются, это многолетняя проблема и тенденция. В проекте нового строящегося Международного реактора ИТЭР требования таковы, чтобы общий поток проникновения молекул в плазменную камеру через первую стенку не превышал Q = 10^-7 Па·м³·с^-1. Это, в свою очередь, требует разработки адекватных средств контроля. На модельных установках ФИАН в 2014-2017 гг. эта проблема обеспечения необходимой чувствительности была на определенном уровне решена специально разработанными эмиссионными спектральными методами. 

На фото: Фрагмент установки «Течь» (ФИАН). Эксперимент проводит научный сотрудник Отдела оптики низкотемпературной плазмы ФИАН, победитель конкурса молодежных научных работ ФИАН 2019 года, кандидат физико-математических наук, Антон Бернацкий

    Для тлеющих разрядов поток проникновения контролировался методами лазерной спектроскопии. В их основу была положена особенность спектров радикала гидроксила ОН в неравновесной плазме и использован атом инертного газа (Ar, Kr, Xe) в качестве актинометра. Вместе с тем, не до конца решенным остался ряд вопросов. Из наиболее важных можно отметить, что, во-первых, необходимая чувствительность достигалась по отношению к общему потоку натекания и при условии, что источник (дефект стенки) единственный, а это трудно гарантировать в реальности. Во-вторых, при таких обстоятельствах и достигнутой чувствительности локализация нескольких источников проблематична.

    В 2018-2019 гг. ученые продолжили работу над этими проблемами. Текущее положение дел поясняет руководитель работ – главный научный сотрудник Отдела оптики низкотемпературной плазмы, профессор, доктор физико-математических наук Владимир Очкин: 

    Выход был найден с использованием комбинации новых подходов. Предложен метод, названный нами мультиспектральной актинометрией, когда в качестве актинометров могут использоваться не только частицы с известной концентрацией (инертный газ, как, например, ранее), но и промежуточные частицы, включая радикалы, возникающие в результате плазмохимических превращений молекул воды. Показано, что для диагностики термоядерных реакторов удобными актинометрами могут быть атомы дейтерия, традиционно присутствующие у стенок реактора. Тогда по соотношению линий Бальмера протия и дейтерия может быть восстановлена плотность молекул воды в пристеночном слое. Такой подход мы назвали H/D методом.

    Было показано, что чувствительность может регулироваться изменением добавок D₂ в плазмообразующий газ при тестировании реактора. Построена схема реакций, для которых расчет хорошо описывает эксперимент. Наличие апробированной на модельной установке расчетной реакционной кинетической схемы позволяет проводить масштабирование результатов на случай, в частности, ИТЭР.

    На рисунке 2 показаны примеры результатов измерений и расчетов содержания атомов O, H и молекул H₂O в плазме в зависимости от отношения интенсивностей линий Бальмера H_α/D_α (пропорциональных отношению концентраций n_H/n_D) для двух значений концентраций [D₂]⁰ в исходном плазмообразующем газе. Здесь [H₂O] и [H₂O]⁰ обозначают, соответственно, средние концентрации молекул воды в пристеночном слое (8-10 см от стенки) и непосредственно у стенки в зоне дефекта, приводящего к натеканию. 

Рисунок 2. Концентрации атомов кислорода, водорода и молекул воды в плазме, определенные по соотношению интенсивностей линий Бальмера H_α/D_α~ n_H/n_D. Точки – измерения, линии – расчет.
1 - [H₂O]⁰, 2 – [H₂O], 3–[O], 4 –[H] - при [D₂]⁰=6.75·10¹⁴cм^-3; 5- [H₂O]⁰, 6 – [H₂O], 7 – [H] - при [D₂]⁰=1.35·10¹⁵cм^-3.

    Значения [H₂O]⁰ позволяют определить потоки натекания от единичного источника на стенке на уровне (10^-8 – 10^-10) Па·м³·с^-1. Локализация источника обеспечивается тем, что полный цикл плазмохимических реакций вблизи стенки завершается за время меньшее, чем время диффузионного ухода частиц от источника, и определяется пространственным разрешением оптической системы наблюдения за свечением пристеночной плазмы. В такой ситуации возможной оказывается идентификация не только одиночных, но и множественных (по нашим оценкам около 100) источников по всей поверхности при суммарном потоке натекания молекул в пределах допустимого для реактора в целом. 

    Гистограмма на рисунке 3 схематически иллюстрирует возможности H/D метода при добавках [D₂]=10¹² см^-3. По оси Z показано произвольное направление вдоль поверхности стенки, по правой верткальной оси – величины [H]/[D], по левой – потоки натекания Н₂О в Па·м³·с^-1. Вертикальные столбики в поле рисунка обозначают локализацию течи и поток в ней. Выделены три зоны. В зоне I определить локализацию течи и соответствующий ей поток Q затруднительно ввиду малого отношения [H]/[D] при ограниченном динамическом диапазоне детектора спектрометра и слабой светимости в области натекания. Это относится к течи N4. В зоне II дефекты NN 1, 3, 5 и 7 могут быть локализованы и измерены скорости натекания. В зоне III из-за ограниченности динамического диапазона детектора величины потоков натекания измерены быть не могут, но наличие дефектов локализуются по линиям H_α.

    Допуская, что все дефекты приводят к течам с сопоставимыми потоками на уровне 10^-9 Па·м³·с^-1, при обзорном наблюдении стенки реактора ИТЭР и заданном проектом общем максимальном натекании Q_Σ = 10^-7 Па·м³·с^-1 может идентифицироваться до 100 течей. Их индивидуальная локализация возможна, если расстояние между ними не менее 10см. Последнее задается реальным пространственным разрешением оптической системы, изображающей внутреннюю стенку реактора.

Рисунок 3. Условная гистограмма распределения дефектов и связанных с ними потоков течей молекул воды через стенку из охлаждающего контура. Размерность Q [Pa m³ s^-1].

    Аналогичный анализ может быть проведен и для других условий с различными вкладами энергий, давлениями Не и D₂ в смеси газа, предназначенного для зажигания тестового разряда с целью выявления дефектов. При этом доступный для измерений динамический диапазон потоков отдельных течей может быть изменен. В зависимости от наличия реальных источников он,  по результатам пробных экспериментов, может быть адаптирован для поиска течей с широким спектром потоков Q_i. В данном случае для иллюстрации на рис.3 авторы ориентировались на некоторые средние реальные ситуации, отвечающие требованиям проекта ИТЭР. 

Последние результаты исследований опубликованы в журнале Plasma Sources Science and Technology. 2019, V. 28, No. 10, 105002 (10pp).

На данном этапе работа поддерживается за счет средств гранта Российского Научного Фонда (РНФ), проект № 19-12-00310. 

По материалам АНИ «ФИАН-информ»

В ФИАНе сконструирована и запущена установка для получения наноразмерных материалов на основе металлов и их оксидов. Материалы в дальнейшем найдут применение как компоненты оптически активных материалов, органо-неорганических композиционных материалов различного назначения, например, лакокрасочных и полиграфических материалов, сорбентов в устройствах для очистки воды, а также для создания новых систем диагностики и лечения различных заболеваний. Автор работы Н.А. Булычев награжден премией Правительства Москвы молодым ученым.

    Получение частиц нанометрового размера (1 нм = 10⁻⁶ мм) является перспективным направлением современной науки, так как подобные материалы проявляют особые свойства, не характерные для макроскопических частиц. В отделе люминесценции ФИАН под руководством ведущего научного сотрудника, доктора химических наук Николая Алексеевича Булычева создана система для получения наноразмерных материалов в акустоплазменном разряде.

    Акустоплазменный разряд – само по себе необычное, мало изученное на данный момент физическое явление. Чтобы его наблюдать, в жидкость (например, в воду) погружаются электроды из материала, частицы которого необходимо получить. К ним прикладывается напряжение, вызывающее пробой, и из электродов начинают вылетать частицы. Не все из них долетают до противоположного электрода, некоторые охлаждаются по пути и образуют нужный нам материал. В то же время на область между электродами оказывается интенсивное ультразвуковое воздействие, генерируемое специальным излучателем. Ультразвук должен быть настолько сильным, чтобы в жидкости начала происходить кавитация.

     Кавитация – явление, проявляющееся при распространении интенсивных звуковых волн в жидкостях.

    «Каждый плавал в море и видел, что такое продольное волна: волнуется море, и в такт ему колеблются растения на дне. Звук – тоже продольная волна, и при большой интенсивности звуковых колебаний в фазе разрежения в толще воды появляются разрывы, полости. Эти "пузырьки" схлопываются и порождают вторичную ударную волну, которая как раз и может дробить твердое вещество на частицы. Кавитация очень опасна для гребных винтов кораблей и насосов, так как может их разрушать, однако ученые смогли поставить ее на службу науке – кавитация сделала возможным получение мелких частиц с необычными свойствами», – объясняет Николай Алексеевич.

    Диспергирование (измельчение) частиц ультразвуком – хорошо известный метод получения наноматериалов, однако совмещение режима кавитации с плазменным разрядом – новаторский подход ученых ФИАНа. Кавитация превращает жидкость в особую среду, занимающее промежуточное положение между жидкостью и паром, а значит, меняет ее электрические свойства. Соответственно, получаемые частицы обладают особыми свойствами. Химические методы дают возможность создать частицы более правильной формы, а вот поверхность частиц, полученных в акустоплазменном разряде, является «дефектной» из-за взрывного характера процесса кавитации. Такая поверхность позволяет получать особые оптические свойства: «дефекты» в веществе светятся гораздо ярче, чем однородная поверхность. Кроме того, поверхность полученных в акустоплазменном разряде частиц «активирована», т. е. лучше взаимодействует с другими частицами и соединениями, что дает возможность синтезировать новые вещества, например, комбинировать органические и неорганические составляющие. Разработанный метод позволяет получать наночастицы металлов и оксидов металлов, в том числе благородных, различные формы углерода (например, популярные сегодня нанотрубки и нановолокна), а также частицы типа «ядро-оболочка», в которых внутренняя и внешняя части состоят из различных соединений.

Спектры фотолюминесценции наночастиц оксида вольфрама, полученных в плазменном разряде под действием ультразвука: черный график – в присутствии кавитации, красный – без кавитации. При равных концентрациях частиц, интенсивность излучения от материала, полученного в присутствии кавитации, значительно больше

    Спектр применения получаемых наночастиц крайне широк. Они могут быть использованы в оптике при создании современных светоизлучающих устройств, например, перестраиваемых источников излучения высокочастотного, терагерцового диапазона – это локаторы, детекторы аэрозолей, сканеры, или люминофоров, устройств оптической памяти, квантовых генераторов и детекторов ионизирующего излучения. В медицине – для направленного воздействия на клетки. Было показано, что наночастицы могут внедряться в раковые клетки и уничтожать их под действием слабого ультразвука. Медицина вообще может стать одним из главных потребителей наноразмерных материалов: наночастицы, взаимодействуя с белками крови, способны влиять на ход различных реакций в организме, что может быть использовано для ранней диагностики и предупреждения болезней.

    Описанный метод получения наночастиц может применяться и в непрерывном потоке жидкости. Частицы, образуемые при воздействии разряда и ультразвука на поток, а также сопутствующие процессу ультрафиолетовое излучение и электрическое поле обладают способностью уничтожать в воде вредные микроорганизмы. В результате сотрудничества Н.А. Булычева и ученых из Чили, технология плазменной очистки была внедрена в этой латиноамериканской стане, где нехватка чистой воды является серьезной проблемой для населения.

     Наконец, стоит отметить, что в процессе протекания акустоплазменного разряда активно разлагается жидкая среда, и, если она состоит из водородсодержащих молекул, то синтезируется и выделяется газообразный водород. При этом есть два важных преимущества – относительно высокий энергетический КПД и возможность использования в качестве жидких сред сырья очень низкого качества – вода с примесями органики, спирты, фенолы, альдегиды, их смеси и эмульсии. В свете роста популярности водорода как «зеленого топлива» подобный способ его получения также представляет большой интерес.

    «Явление акустоплазменного разряда интересное, многообещающее, и его возможности далеко не исчерпаны», – говорит Николай Алексеевич. – «Сейчас одна из ближайших задач, которую я вижу, это создание методики синтеза наночастиц смешанных оксидов металлов, где кристаллическая решетка состоит из атомов разных металлов и кислорода. Такие соединения весьма сложно синтезировать традиционными методами, а они очень перспективны при создании новых люминесцентных керамик различного назначения, например, источников УФ-излучения в практически значимом диапазоне с высоким квантовым выходом. Так что будем работать, и, как говорилось в фильме "Бриллиантовая рука" про премию: "Дай Бог – не последняя!"».

Н.А. Булычев рядом с установкой по очистке воды,
работающей на основе предложенной им технологии

К. Кудеяров, АНИ «ФИАН-информ»

____________________

От редакции.

1. Иллюстративные материалы предоставлены Н.А. Булычевым.

2. Дополнительно Вы можете ознакомиться с результатами исследований в публикациях:

1) A.S. Averyushkin, A.N. Baranov, N.A. Bulychev, M.A. Kazaryan, A.D. Kudryavtseva, M.A. Strokov, N.V. Tcherniega, K.I. Zemskov. Stimulated Low Frequency Raman Scattering in Cupric Oxide Nanoparticles Water Suspension. Optics Communications, 2017, Vol. 389, p. 51-53.

2) N.A. Bulychev, M.A. Kazaryan, A.S. Averyushkin, A.A. Chernov, A.L. Gusev. Hydrogen Production by Low-Temperature Plasma Decomposition of Liquids. International Journal of Hydrogen Energy, 2017, Vol. 42, 20934-20938.

3) A.E. Erokhin, I.V. Smetanin, S.M. Mikhailov, N.A. Bulychev. Spectral shifts of stimulated Rayleigh – Mie scattering in Ag nanoparticle colloids, Optics Letters, 2018, Vol. 43. I.7, p.1593.

Поиск новых материалов для OLED-технологий – одно из самых молодых и перспективных направлений в люминесцентной физике. Ученые ФИАНа впервые в мире продемонстрировали возможность использования однокомпонентных полупроводниковых квантовых нанопластин в качестве излучающих центров в OLED-светодиодах. Физико-химические свойства полученных квазидвумерных структур позволяют называть их перспективными материалами для создания гибридных светодиодов с требуемыми для RGB-устройств характеристиками.

         Органические светоизлучающие диоды (OLED^[1]) – это полупроводниковые приборы, изготовленные из органических соединений и обладающие способностью к электролюминесценции. Впервые электролюминесценция органических соединений была обнаружена французским ученым А. Бернанозом в 50-х годах ХХ века. Однако говорить об эре OLED-технологий стали позднее, когда в 80-х компанией Eastman Kodak было изготовлено первое устройство на их основе. Разработки же технологий промышленного производства ведутся только последние 15-20 лет.

Схема работы простейшей двухслойной OLED-панели:
1. Катод(−). 2 и 4. Органические слои – эмиссионный (2) и проводящий(4).
3. Испускаемое излучение, 5. Анод (+)(источник).
При подаче разности потенциалов, поток электронов движется от катода к аноду, обогащая эмиссионный слой электронами. Анод, поглощая электроны из проводящего слоя, обогащает последний «дырками», которые начинают свое движение к границе органических слоев. При встрече электронов эмиссионного слоя и дырок проводящего слоя происходит их рекомбинация, которая сопровождается испусканием (эмиссией) фотона в области видимого света. Поскольку дырки в органических соединениях обладают большей подвижностью нежели электроны, излучение происходит ближе к эмиссионному слою, в результате чего он и получил свое название. В современных OLED-панелях число слоев превышает 2, что улучшает качество цветопередачи и светимость панели. К тому же цвет испускаемого света зависит от типа полимерного слоя, что также требует использования большого числа органических слоев для создания многоцветных панелей

    Технология OLED считается на сегодняшний день одной из самых перспективных. Во-первых, OLED-приборы отличаются высокой экономичностью и эргономичностью. Поскольку этим световым панелям не требуется внешних источников подсветки и световых фильтров (источником выступает сам полимерный материал), они потребляют меньше энергии по сравнению со всеми распространенными ныне устройствами. К тому же удаление дополнительных устройств делает их намного тоньше, нежели плазменные и жидкокристаллические аналоги. Во-вторых, время отклика органических полимеров короче, нежели у широко применяемых сегодня неорганических. Это, в свою очередь увеличивает скорость обновления изображения на экране. В-третьих, качество излучаемого света в них превышает «неорганические аналоги». Это позволяет создавать панели с великолепным цветовоспроизведением.

    Однако, OLED-технологии обладают и рядом существенных минусов, мешающих выйти на широкий коммерческий простор. Прежде всего, сюда следует отнести крайне малый срок службы – порядка 2-3 лет. И здесь OLED-панели весьма основательно уступают плазменным и жидкокристаллическим аналогам. Другой немаловажной проблемой является слабая отработанность, трудность и дороговизна OLED-технологий. Как оказалось, органические полимеры весьма критичны к внешним воздействиям: даже малейший контакт с окружающей средой безвозвратно выводит дисплей из строя за считанные минуты. А потому изготовление OLED-дисплеев требует строгого контроля за чистотой производственных линий и за полной герметичностью изделий, что весьма удорожает производство и делает его точечным. И, наконец, на сегодняшний день так и не разрешена в полной мере проблема создания экранов средних и больших размеров. В основном все сегодняшние OLED-дисплеи ограничиваются размерами смартфонов и планшетов.

    Однако современная наука не стоит на месте, занимаясь поиском все новых полимеров, способных решить эти проблемы.

         Поиск новых материалов привел к созданию в 1993 году методами коллоидной химии органических светодиодов с неорганическими нанокристаллами в качестве излучающих центров. Эти нанокристаллы называются квантовыми точками. Новая технология получила название QD-OLED^[2]. Это направление оказалось перспективным для решения означенных проблем, а потому и развивается наиболее активно в последние два десятилетия.

    «Повышенный интерес к гибридным светодиодам вызван такими свойствами квантовых точек, как люминесценция в узком диапазоне волн, высокая фотофизическая стабильность и возможность эффективного управления ими за счет квантоворазмерных явлений и эффектов формы, – объясняет старший научный сотрудник Отдела люминесценции ФИАН Андрей Ващенко. – Чаще всего, плоский слой квантовых точек, – как правило, это нанокристаллы CdSe, CdS и др., – располагается между электронными и дырочными органическими слоями. Иногда происходит неглубокое внедрение квантовых точек в органические слои. Эти внедренные неорганические нанокристаллы и выполняют роль активных излучающих центров QD-OLED устройства.»

    Квантовые точки могут быть различной формы и размера, но чаще всего это сферы диаметром 4-6 нм. Получаемые гибридные светодиоды, как ожидается, могут решить, по меньшей мере, одну из сложнейших проблем – критичность к внешнему воздействию: теоретически подобные материалы могут работать даже на воздухе, без дополнительной герметизации. Это, в свою очередь, позволит упростить и технологию производства новых панелей, параллельно снизив ее стоимость. Да и высокая стабильность физико-химических характеристик нанокристаллов позволяет надеяться на увеличение срока жизни панелей.

    Помимо широко распространенных и активно изучаемых сферических квантовых точек в последние несколько лет учеными-химиками были синтезированы полупроводниковые квазидвумерные коллоидные структуры – так называемые нанопластинки. Обычно они имеют продольные размеры 30-200 нм и толщину в несколько атомных слоев. За счет малых толщин пластины получаются, фактически, идеально гладкими, что в свою очередь обеспечивает узкие спектры фотолюминесценции. Время жизни флуоресценции полученных образцов также весьма короткое. Эти свойства делают нанопластинки весьма привлекательным объектом для создания гибридных светодиодов. Однако до недавнего времени эта область люминесцентной физики оставалась мало исследованной. И именно на нее обратила внимание научная группа Отдела люминесценции ФИАНа под руководством А.Г. Витухновского.

    В синтезе квантовых нанопластинок фиановцам помогли химики из Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова, которые под руководством Р.Б. Васильева занимаются созданием таких структур уже не первый год.

         «Нам впервые в мире удалось создать светодиод, где в качестве излучающего элемента выступали не отдельные нанокристаллы, а однокомпонентная квантовая нанопластина CdSe, размером в 20-70 нм и толщиной в несколько атомных слоев, – рассказывает Андрей Ващенко, один из участников научной группы. – Сначала у нас были только теоретические предпосылки: оптические свойства пластинок делают их идеальными кандидатами на роль излучающих элементов. А когда такую пластину поместили в многослойную OLED-структуру, она, к нашему большому удовлетворению, "заработала". Так нами был разработан совершенно новый гибридный светодиод с длиной волны излучения 515 нм, который мы назвали NPL-OLED^[3].»

Схематическое изображение светодиода NPL-OLED
с излучающим слоем нанопластинок CdSe, органическими транспортными слоями электронов (TAZ) и дырок (TPD), катодом (Al), стеклянной подложкой с нанесенным на нее прозрачным анодом (ITO) и слоем PEDOT:PSS, из которого в активные слои инжектируются дырки

    Особенностью предлагаемого метода является внедрение в OLED-структуру однокомпонентных квантовых пластин, что обеспечивает привлекательные эксплуатационные характеристики. Исследование оптических и электрофизических свойств NPL-OLED показало, что такие структуры обладают низкими значениями рабочего напряжения, спектрально чистым цветом и коротковолновой электролюминесценцией. В совокупности такие характеристики делают гибридные светодиоды привлекательными, прежде всего, для RGB-дисплеев.

    «Конечно, в настоящее время сделать новый экран для телефона из них не сможем: мы находимся лишь на стадии лабораторных исследований. Да и дать прогноз, когда же именно эти технологии будут внедрены в повседневную жизнь, очень трудно. А с другой стороны, головокружительная по скорости эволюция компьютерной техники от полупроводниковых чипов к наноразмерным кристаллам, не позволяет утверждать, что наша работа – лишь «чистая» наука, и больше ничего. Мы работаем на будущее, а когда оно наступит… Вот будущее и покажет» – отметил в заключение Андрей Ващенко.

Е. Любченко, АНИ «ФИАН-информ»

_______________________________

^[1]   OLED – аббревиатура от organic light-emitting diode (дословно – органический излучающий (испускающий) свет диод). Источник  ↑

^[2]   QD – аббревиатура от quantum dot (квантовая точка).  ↑

^[3]   NPL – аббревиатура от nanoplatelet (нанопластинка)  ↑

В Лаборатории нелинейной оптики и рассеяния света ФИАНа проведены исследования размерных характеристик частиц в плазме крови методом динамического рассеяния. Результаты экспериментов выявили неожиданную закономерность: с ростом размера частиц (r) от единиц нанометров до 1 микрона концентрация этих частиц уменьшается как r^–4, т.е. почти на 12 порядков. Характерно, что математических моделей, объясняющих это, пока нет.

    В природе подмечено немало эмпирических закономерностей, не имеющих строгого теоретического обоснования. Широко известен закон Мура (Gordon E. Moore), согласно которому количество транзисторов, размещаемых на кристалле интегральной схемы, удваивается каждые 24 месяца. Известен и закон Дамута (John Damuth), который показывает, что плотность популяции млекопитающих N соотносится с массой тела m как N = a·m^–3/4.

    Ученым Лаборатории нелинейной оптики и рассеяния света (ЛНОРС) Отделения оптики ФИАН, проводившим систематические эксперименты по исследованию плазмы крови человека, удалось зарегистрировать необычную закономерность, связывающую концентрацию частиц в плазме N с их размерами r: N = a·r^–4.

    Исследования сотрудников ЛНОРС (руководитель к.ф.-м.н. Л.Л. Чайков) связаны с изучением размерных характеристик частиц в биологических жидкостях и разработкой методов их измерения, что входит в число наиболее актуальных задач современной аналитической медицины.

    Особый интерес представляют методы измерений размеров частиц в диапазоне от единиц до сотен нанометров, которые недоступны для традиционной микроскопии.

    Среди существующих методов важное место занимает метод динамического рассеяния света, в котором по измерениям временны’х флуктуаций рассеянного света изучается подвижность частиц в зависимости от их размеров. Метод хорошо зарекомендовал себя при исследованиях жидкостей с частицами, близкими по размерам. В случае биологических жидкостей (как, например, плазма крови) состав частиц по размерам может быть крайне широк. В подобных ситуациях известные методы обработки данных по светорассеянию либо дают сбой, либо демонстрируют невоспроизводимые результаты.

    В ЛНОРС исследования размерных характеристик частиц в плазме крови методом динамического рассеяния света проводились, в том числе, с целью адаптировать этот метод к случаю состава частиц с широким разбросом по размерам. В результате было обнаружено, что регистрограммы распределения частиц по размерам, построенные с помощью стандартного программного обеспечения, демонстрируют неустойчивость поведения.

Рисунок 1. Серия регистрограмм, характеризующих распределение частиц по размерам в образце плазмы крови здорового донора. Набор первичных данных в серии произведен в одном и том же образце с интервалом в 2 минуты и обработан стандартным программным обеспечением метода динамического светорассеяния. Серия демонстрирует неустойчивость распределений

    В результате многочисленных опытов исследователям удалось разработать методику обработки данных по светорассеянию, которая надежно выявляет отдельные группы частиц со сравнительно узким разбросом размеров. Методика основана на информационном сжатии первичных регистрограмм с последующей статистической обработкой сжатых данных, в результате чего достигается воспроизводимость результирующих данных о распределении частиц по размерам (см. рисунки 2 и 3).

Рисунок 2. Набор размеров, отвечающих максимумам первичных регистрограмм (см. рис. 1), в зависимости от времени сбора данных. Диаграмма иллюстрирует группировку размеров частиц и позволяет выполнить дальнейшую статистическую обработку

Рисунок 3. Справа – результат обработки массива размеров частиц из рисунка 2. Частота проявления характерных размеров (число регистраций) имеет устойчивый вид. Такая диаграмма может быть построена по данным, полученным в различные промежутки времени, и использована для оценки динамики изменений в плазме крови, а также для сопоставления разных образцов

    При использовании новой методики в исследованиях образцов плазмы крови здоровых доноров результаты измерений, организованные в виде диаграммы «размер частиц – концентрация частиц» (см. рисунок 4), позволили выявить неожиданную закономерность: с ростом размера частиц от единиц нанометров до 1 микрона концентрация этих частиц уменьшается как r^–4, т.е. почти на 12 порядков. 

Рисунок 4. Диаграмма «размер частиц – концентрация частиц» в двойном логарифмическом масштабе демонстрирует степенную связь концентрации с размером N = a·r^K с показателем степени K = –4,0 ± 0,1 (см. аппроксимацию данных прямой линией)

    Комментируя результаты исследований, руководитель Отделения оптики ФИАН д.ф.-м.н. Анатолий Викторович Масалов сообщил следующее.

    «На данный момент математических моделей, объясняющих подобную зависимость, нет. Возможно, коллективом сотрудников открыта новая закономерность для биологических жидкостей сложного состава. В практическом плане, особенности данной зависимости и отклонений от нее могут служить диагностическим признаком в распознавании различных заболеваний».

    Описание экспериментов и полученные результаты изложены в кандидатской диссертации м.н.с. ЛНОРС Марины Кириченко, которая успешно защитила её в ФИАНе в июне 2015 года.

    Наиболее важные результаты представленных исследований опубликованы в статьях:

1. М.Н. Кириченко, А.В. Масалов, Л.Л. Чайков, А.Р. Зарицкий. Соотношение размеров и концентраций частиц в неразбавленной и разбавленной плазме крови по данным светорассеяния. Краткие сообщения по физике ФИАН, 42 (2), стр. 3, 2015.

2. L.L. Chaikov, M.N. Kirichenko, S.V. Krivokhizha, A.R. Zaritskiy. Dynamics of statistically confident particle sizes and concentrations in blood plasma obtained by the dynamic light scattering method. Journal of Biomedical Optics, 20 (5), 057003 (2015).

В. Жебит, АНИ «ФИАН-информ»

В результате исследований импульсной катодолюминесценции кристаллов-сцинтилляторов в ФИАНе предложена методика определения их люминесцентных свойств без использования источников радиоактивного излучения. Разработка может применяться для определения свойств кристаллов, применяемых в ПЭТ-томографах.

    Особенность кристаллов-сцинтилляторов заключается в том, что они обладают хорошей способностью преобразовывать радиоактивное излучение в видимое излучение. Благодаря этому данные материалы очень востребованы в ядерной медицине, особенно в позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ). До последнего времени их анализ проводился методом гамма-люминесценции с применением радиоактивных источников. Неудобство такого способа заключалось как в сложности работы с радиоактивными материалами, так и в опасности для персонала.

    Исследования спектрально-кинетических свойств кристаллов, проводимые учеными ФИАН, показали, что как спектры, так и времена высвечивания при импульсной катодолюминесценции и гамма-люминесценции совпадают. Эта особенность позволила разработать высокочувствительный метод, основанный на явлении импульсной катодолюминесценции (ИКЛ), для быстрого определения люминесцентных свойств сцинтилляционных кристаллов для дальнейшей оптимизации основных характеристик сцинтилляционных детекторов-модулей.

    Исследования проводились с использованием катодолюминесцентного спектрографа «Клави». Работа установки базируется на явлении взрывной эмиссии электронов с холодного катода, которое было открыто группой ученых под руководством акад. Г.А. Месяца в 1966 году. При взрывной эмиссии возникают потоки электронов высокой плотности. Под воздействием наносекундных электронных пучков с плотностью пиковой мощности более 1 МВт/см² при энергии электронов в пучке свыше 140 кэВ в образцах кристаллов возникала импульсная катодолюминесценция.

На рисунке: Катодолюминесцентный спектрограф «Клави»:
(1) блок возбуждения люминесценции – ускоритель электронов РАДАН-ЭКСПЕРТ,
(2) многоканальный фотоприемник; (3) компьютер

    В отделе оптики низкотемпературной плазмы экспериментальную установку усовершенствовали. Теперь она позволяет исследовать не только спектр, но и кинетику катодолюминесценции. Импульс из ускорителя электронов направлялся в кристалл, в котором возбуждалась импульсная катодолюминесценция. Спектр и время высвечивания люминесценции образцов регистрировались спектрометром. Учеными были исследованы образцы кристаллов CsI: Tl, YAG: Ge 3+, Tb3+ и LFS-3, выращенных в Институте общей физики РАН.

    В результате исследований был обнаружен кристалл-сцинтиллятор высокой плотности около 7,5 г/см³, который может быть использован в позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ). Минимальное время высвечивания люминесценции такого кристалла было зарегистрировано на уровне 20-25 нс, что позволит при использовании данного кристалла обеспечить высокое пространственное разрешение в ПЭТ-томографах и, следовательно, повысить качество и точность диагностирования. До последнего времени в ПЭТ использовали кристаллы с неудобным, медленным временем высвечивания (около 300 нс).

    Рассказывает заместитель заведующего по научной работе Отделения Оптики ФИАН, доктор физико-математических наук Савинов Сергей Юрьевич:

    «Анализ спектров и времени высвечивания кристаллов-сцинтилляторов при импульсной катодолюминесценции доказали их полную тождественность с показателями при гамма-люминесценции. Важное значение разработанной нами методики ИКЛ состоит в возможностях ее практического применения. Она позволит подбирать сцинтилляторы для ПЭТ-томографов без использования радиоактивных источников. ПЭТ-томографы нового поколения позволят диагностировать онкологические заболевания на самой ранней стадии, даже до их клинических проявлений».

    ПЭТ позволяет диагностировать онкологические опухоли на начальном этапе. В организм пациента вводится глюкоза, подвергнутая радиоактивному воздействию. Поскольку раковая опухоль активно поглощает глюкозу, препарат накапливается в местах ее образования. Когда радиоактивный изотоп распадается с испусканием позитрона, в результате столкновения с электроном образуются два кванта γ-излучения, с энергией 511 кэВ каждый. Энергия γ-кванта преобразуется во вспышку видимого излучения, которое регистрируется детектором ПЭТ-томографа, состоящим из большого количества сцинтилляционных кристаллов.

Герасимова И., АНИ «ФИАН-информ»

Сотрудники отдела люминесценции им. Вавилова ФИАН и факультета наук о материалах МГУ им. М.В. Ломоносова получили четкую структуру поверхностной люминесценции, которая помогла им описать природу явления. Результаты их работы помогут определить способы управления этим видом люминесценции, что, в свою очередь, откроет возможности для создания белых светодиодов или элементов квантовой электроники нового типа.

Люминесценция, или свечение вещества после поглощения им энергии возбуждения, была главным направлением деятельности основателя ФИАН С.И. Вавилова. В носящем его имя отделе института дело Вавилова активно продолжается и развивается. Так, сотрудники отдела люминесценции им. С.И. Вавилова ФИАН и факультета наук о материалах МГУ им. М.В. Ломоносова исследуют свойства квантовых точек (в частности, CdS) с целью использования их в составе разного рода излучателей. В череде этих свойств природа поверхностной люминесценции стояла на одном из первых мест.
Механизм люминесценции в твердом теле различается в зависимости от того, происходит она с участием электронной подсистемы всего кристалла или же внутри примесного центра. Что касается первого типа, межзонной люминесценции, обусловленной электронными переходами между валентной зоной и зоной проводимости, то она уже хорошо и подробно изучена. Однако с уменьшением размеров светоизлучающих нанокристаллов роль межзонной люминесценции заметно снижается – часто начинает доминировать примесная люминесценция, обусловленная электронными переходами между зонами и донорно-акцепторными уровнями примесных и поверхностных атомов. Цельного представления о природе этого явления пока не существует. Между тем, исследования примесной люминесценции и выявление возможностей управления ее характеристиками способны помочь в создании новых органических светоизлучающих диодов и элементов квантовой электроники. Так, оптики давно мечтают о создании источника белого света, идентичного естественному. Сейчас он получается лишь при комбинации излучателей красных, зеленых и синих цветов, а с грамотным использованием широкого спектра поверхностной люминесценции источники белого света можно будет получать на основе одного вещества.
Один из авторов исследовательской работы, которая планируется к выходу на страницах журнала Journal of Chemical Physics - Алексей Кацаба, студент 5 курса МФТИ, работающий в отделе Люминесценции ФИАН под руководством доктора физ.-мат. наук Алексея Витухновского, руководителя отдела люминесценции им. С.И. Вавилова. Он рассказывает:

«Люминесценцию кристаллов CdS изучают уже давно, еще с середины прошлого века. Конечно, все это время исследовались в основном не квантовые точки, а обычные монокристаллы, но в них тоже наблюдалась достаточно интенсивная примесная люминесценция. Правда, что с ней дальше делать оставалось непонятным. Мы же предлагаем некоторое развитие темы. Наши образцы выращены методом коллоидной химии, у них большая примесная люминесценция, которая имеет сложную структуру и температурные зависимости, которые мы связываем с передачей энергии между уровнями, отвечающими за свечение поверхностных состояния. Таких результатов с четкой структурой примесной люминесценции до нас еще не наблюдалось».

Оптические свойства полупроводниковых нанокристаллов сейчас исследуются практически повсеместно и находят своё применение в разнообразных органических светодиодах, биологических маркерах, лазерах или элементах квантовой электроники. В большинстве случаев люминесценция полупроводников определяется межзонными переходами и поэтому ее цвет можно контролировать, изменяя размеры нанокристаллов. Однако с их уменьшением на поверхность все больше выходят различные дефекты и примеси образцов, также увеличивается доля поверхностных атомов. Все это приводит к проявлению примесной люминесценции, свойства которой остаются неизученными.

В своей работе исследователи изучали наночастицы CdS характерных размеров в 4-5 нм. Они были получены из пересыщенного раствора высококипящего неполярного растворителя и дополнительно стабилизированы олеиновой кислотой. Такая обработка должна была связать поверхностные состояния и погасить примесную люминесценцию, но анализ образцов показал, что на поверхности наночастиц в изобилии остались непрореагировавшие участки. Поэтому полученная взвесь нанокристаллов в растворе излучала желтый свет, что по спектрам соответствовало примесной люминесценции. При этом на спектрах также присутствует и основной, малый по интенсивности, межзонный пик люминесценции на длинах волн синего цвета. Широкая же примесная область является суперпозицией трех отдельных пиков, поведение которых с изменением температуры различается.

Полученные в работе спектры фотолюминесценции полупроводниковых нанокристаллов CdS с шагом по температуре около 30К

Алексей Кацаба: «Мы показываем в нашей работе, что есть пик, который связан с зоной внутри квантовой точки. Он смещается с таким же характером, как межзонный экситонный переход. Получается, что некоторые переходы и линии в примесном спектре тоже зависят от размера квантовой точки. Будем менять размер - и полоса будет сдвигаться. Об этом говорят и температурные зависимости».

На основе этих термических зависимостей спектров и кинетических кривых фотолюминесценции авторам статьи удалось построить модель энергетических уровней и переходов, отвечающих за оптические свойства образцов. Таким образом, ученые впервые описали природу примесной люминесценции и наметили возможности для управления ее характеристиками.

«Наше исследование - это только первый шаг, - делится планами молодой ученый. - Дальше постараемся создать подробную модель, объясняющую физику, стоящую за этой люминесценцией. Также есть и другие эффекты, которые мы пытаемся исследовать. Например, нелинейные эффекты в квантовых точках».

АНИ «ФИАН-информ»

В Физическом институте им. П.Н.Лебедева РАН получены первые результаты работы оптического микроскопа ближнего поля, рассчитанного на работу в весьма широком диапазоне температур и предназначенного для использования в областях разработок наноисточников света и наноинформатики.

При решении задачи передачи информации в наноструктурах ключевую роль играет создание наноисточников света и способов передачи информации с их использованием. Наноисточники света представляют собой пирамидообразные структуры полупроводниковых материалов, которые имеют вершину пирамиды размером в несколько атомов. В таких объектах формируются условия квантования состояний, типичные для квантовой ямы и возникает возможность создания излучения. Размер излучающей области составляет примерно 20-50 нм. Главной перспективой применения таких источников является создание условий для генерации, передачи и анализа информации.
Для создания таких структур необходим прибор, который позволяет регистрировать излучение с разрешением, существенно превышающем дифракционный предел. Этим требованиям удовлетворяет современная ближнепольная сканирующая оптическая микроскопия (Near-field Scanning Optical Microscopy). В такого рода микроскопах образец сканируется в непосредственной близости от апертуры или диполя, при этом разрешающая способность определяется диаметром апертуры на конце волноводного оптического зонда, размером квантовой точки или радиусом кривизны острия металлического зонда.
Низкотемпературный сканирующий оптический микроскоп ближнего поля «КриоСБОМ101» разработан и изготовлен в сотрудничестве двух инновационных компаний, АО КДП и ООО «РТИ. Криомагнитные системы», аккредитованных при Инновационном центре ФИАН. Микроскоп установлен в криогенном отделе ФИАН и предназначен для исследований топологии и оптических свойств наноструктур в широком диапазоне температур, которые проводятся под руководством доктора физ.-мат. наук Евгения Демихова. (См. фото).
Разрешающая способность микроскопа - 30-50 нм, диапазон температур, на который рассчитан прибор, составляет 1,8-300 К. Криосистема микроскопа рассчитана на работу с жидким гелием или азотом и оснащена криостатом ёмкостью 3,5 л. Прибор имеет максимальное поле сканирования, равное 15x15 мкм. Диаметр шахты – 60 мм, диаметр гелиевых окон (4 шт.) – 20 мм.

На фото аспирантка М.Петрова снимает показания КриоСБОМ101 для своего диссертационного исследования

Ключевой частью микроскопа является зонд, поддерживаемый на расстоянии <1 нм над образцом. В процессе работы особую сложность представляла задача изготовления z-подвижки, обеспечивающей подвод-отвод зонда к образцу. Задача была успешно решена, при этом техническим новшеством явилось применение нового типа пьезокерамики, позволившей сделать компактную, жёсткую z-подвижку, способную надёжно перемещать сравнительно массивный зонд в условиях криогенных температур.
Основным преимуществом прибора является возможность получения оптического разрешения, значительно превышающего критерий Релея, во всем заявленном диапазоне температур. Благодаря наличию AFM моды микроскоп позволяет исследовать не только оптические свойства, но и топологию объектов исследования. Прибор предназначен для исследовательских лабораторий.
В своём комментарии Евгений Демихов сообщил:

«Разработанный прибор позволяет сделать прорыв в нанофотонике, в частности, нами планируются работы по созданию наноисточников света, которые позволят создание информационных сетей с колоссальной скоростью передачи информации. При этом существует новое и нетривиальное решение проблемы нанооптоволокна. Россия вполне здесь может стать лидером, т.к. все необходимые знания и сотрудники у нас есть. Наш подход показывает преимущества такой схемы развития приборостроения, при которой уникальное оборудование изготавливается под задачу. В последнее время стали модны закупки оборудования на Западе. Для решения стандартных задач это хорошо, а для решения прорывных задач плохо, т.к. не позволяет выйти в лидеры».

На Российском рынке аналогов криоСБОМ101 нет, однако, по сравнению с зарубежными образцами, прибор обладает возможностью работы в более широком диапазоне температур.

АНИ «ФИАН-информ»

Сотрудник Физического института им. П.Н. Лебедева РАН (ФИАН) Василий Климов и его коллеги из Университета Париж 13 (Франция) Jacques Baudon и Martial Ducloy получили аналитические решения для фокусировки света в полупространстве с отрицательным показателем преломления. В частности, из полученных результатов следует, что функционирование известной в оптике идеальной линзы, в том виде, как предполагалось ранее, невозможно, и для полного использования уникальных свойств сред с отрицательным показателем преломления надо радикально изменить постановку задачи.

В 1967 году советский физик, тогда еще сотрудник ФИАН, Виктор Веселаго выдвинул гипотезу о существовании материалов с отрицательным показателем преломления - метаматериалов. Для этого магнитная и диэлектрическая проницаемости метаматериала должны быть одновременно отрицательны, а групповая и фазовая скорости распространения электромагнитной волны, как следствие, иметь противоположные направления. Если из такого материала изготовить плоскопараллельную пластинку, то она будет фокусировать свет так же, как выпуклая стеклянная линза (Рис.1). Позже, в 2000 году, английский физик, профессор Джон Пендри высказал аргументы в пользу того, что идеальная линза Веселаго не имеет дифракционных ограничений на разрешающую способность, и будет обладать настолько высокой степенью фокусировки, что позволит рассматривать вещество в наномасштабе. Ученые из ФИАНа и Университета Париж-13 решили детально проверить это предположение, и оказалось (http://iopscience.iop.org/0295-5075/94/2/20006), что с учетом поглощения, пусть и малого, в реальных материалах ожидаемой точности фокусировки уже не будет.

«Проблема в том, - рассказывает главный научный сотрудник ФИАН, доктор физико-математических наук Василий Климов, - что на пути движения света есть область пространства, где решения стационарных уравнений Максвелла, как такового, не существует. Это происходит именно в том случае, когда обе проницаемости, и диэлектрическая и магнитная, отрицательны, а потери в веществе равны нулю. Но потенциал отрицательного показателя преломления очень большой, его нельзя просто так сбрасывать со счетов, поэтому нужно думать о другой постановке задачи».

Одна из предлагаемых постановок задачи заключается в том, чтобы использовать не только источники света, но и приемники. Один из простейших вариантов – поместить приемник света внутри пластинки, а источники – снаружи, в точках пересечения лучей на Рис.1. В этом случае траектории лучей будут почти такими же, как в оригинальной задаче, но области пространства, где решения задачи не существует, уже не будет. Кстати говоря, эту идею выгодно использовать и для реализации процесса возбуждения атома в схеме квантового компьютера.

«Для квантовых компьютеров и квантовых телекоммуникаций, - объясняет Василий Климов, - которые сейчас активно развиваются, необходимы однофотонные источники света, для того, чтобы возбуждать нановолноводы и другие наноустройства и работать на квантовом уровне. Сейчас для того, чтобы излучить один фотон в заданный момент времени, требуется от миллиона до 10 миллионов фотонов, возбуждающих однофотонный источник, то есть система получается крайне неэффективной. Но если мы рассматриваем пластинку с отрицательным показателем преломления и помещаем внутри нее невозбужденный атом, а снаружи - два возбужденных, тогда вероятность того, что фотоны разбегутся в стороны и не возбудят атом внутри, равняется ¼ , а вероятность его возбуждения - 0,75. Или можно построить систему наоборот, и использовать одну возбужденную частицу внутри пластинки и 2 невозбужденных - снаружи, тогда, куда бы ни улетел фотон, он обязательно возбудит один из двух атомов снаружи, потому что лучи пересекаются в области очень маленьких размеров. А так как заранее не ясно, какой из атомов возбудится, то в результате получится запутанное состояние двух возбужденных атомов, которое может быть использовано для квантовой криптографии».

 Подобные вычисления ученые провели не только для случая фокусировки фотонов, но и для безмассовых ультрарелятивистских частиц Дирака, например, электронов в графене (Рис.3). В этом случае зона отрицательного преломления начинается еще до границы области с отрицательным показателем преломления (она справа), а со стороны приемного электрода фокусное пятно имеет более сложную, по сравнению со случаем фотонов, пространственную структуру. Полученное решение имеет тесные аналогии с парадоксом Клейна – явлением туннелирования релятивистской частицы сквозь высокий потенциальный барьер, который находит свое объяснение в рождении пары частица-античастица.

АНИ «ФИАН-информ»

Безлинзовая оптика – техника получения изображения объектов компьютерным методом, позволяющая обойтись без оптических приборов (линз). Существовавшие до недавнего времени алгоритмы, позволяли работать только с излучением, распространяющимся перпендикулярно исследуемому объекту.

Отражательная микроскопия особенно актуальна для диапазона мягкого рентгеновского излучения, где уже работают лабораторные рентгеновские лазеры и лазеры на свободных электронах. В связи с этим специалистами Лаборатории рентгеновской оптики ФИАН разрабатываются методы решения параболического уравнения с начальными условиями, заданными на поверхностях произвольной формы и ориентации. В результате впервые получена точная формула, обобщающая известный интеграл Френеля, позволяющая решить данную задачу в случаях произвольного направления излучения относительно предмета. На основе этой формулы в Лаборатории создана компьютерная программа, являющаяся основным инструментом новой безлинзовой технологии контроля изображения.
К настоящему времени получен усовершенствованный вариант компьютерной программы, позволяющий, в рамках допустимых приближений параболического уравнения, с высокой точностью определять поля излучения неплоских объектов.
Полученные результаты позволят расширить поле численных и реальных экспериментов с лазерным излучением.

На фото показана дифракция букв, полученная наклонным под углом 2 градуса излучением на различных расстояниях до детектора (детектор параллелен объекту).
В настоящее время, в рентгеновской оптике, как правило, приходится иметь дело с отражениями под малым углом, при том, что существующий метод получения изображений путём восстановления фазы волн разработан только для геометрии нормального падения пучка на прозрачный объект. Очевидно, что столь сложная задача как определение формы поверхностей с помощью существующего метода восстановления фазы решена быть не может. Поиск такого решения стал одной из основных тем исследований Лаборатории.

Комментируя этот факт, научный сотрудник Лаборатории рентгеновской оптики ФИАН, к.ф.м.н. Николай Попов заявил: «Удивительно, что этой задачей до сих пор никто не занимался. Польза от ее решения для рентгеновской оптики кажется очевидной. В ходе проведённой работы выяснились интересные аналитические детали, в частности, выяснилось, что решение задачи не сводится к масштабированию интеграла Френеля».
Полученные в Лаборатории результаты в ближайшее время планируют использовать для контроля рентгеновских зеркал в международном проекте XFEL – проекте создания рентгеновского лазера на свободных электронах.

АНИ «ФИАН-информ»