ФУНДАМЕНТАЛЬНАЯ И ПРИКЛАДНАЯ ФОТОНИКА, ЛАЗЕРНАЯ ФИЗИКА, КВАНТОВАЯ И НЕЛИНЕЙНАЯ ОПТИКА, ОПТИКА И СПЕКТРОСКОПИЯ АТОМНО-МОЛЕКУЛЯРНЫХ СИСТЕМ, МИКРО- И НАНОСТРУКТУР, КОНДЕНСИРОВАННЫХ СРЕД И КОМПОЗИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Цель проекта – проведение передовых исследований в области фундаментальной и прикладной фотоники, квантовой и нелинейной оптики, квантовой информатики, оптики и спектроскопии микро- и наноструктур, физики сложных атомно-молекулярных систем, фото- и электролюминесценции новых материалов, рентгеновской оптики, прецизионной и высокочувствительной спектроскопии, диагностики низкотемпературной и высокотемпературной плазмы оптическими методами, разработке и исследовании новых эффективных устройств и материалов для современной фотоники. В рамках проекта предполагается создание высокоэффективных устройств, позволяющих получать оптические частотные гребенки и генераторов электромагнитного излучения СВЧ диапазона наносекундной длительности при накачке импульсным излучением оптического диапазона. Основной конкретной задачей здесь является исследование фундаментальных аспектов взаимодействия систем наноразмерных и субмикронных частиц, обладающих собственными частотами в гигагерцовом и терагерцовом диапазонах частот с импульсным лазерным излучением видимого диапазона спектра. Высокая эффективность предлагаемых устройств, созданных в результате выполнения проекта, и возможность частотной перестройки в диапазоне от нескольких гигагерц до терагерца открывают широкие возможности их применения для задач Фурье-ИК спектроскопии, спектроскопии высокого разрешения, астрофизических исследований. При изучении оптических свойств низкотемпературной плазмы особое внимание будет уделено состояниям, в которых наглядно проявляются нелокальные свойства электронной компоненты в большом динамическом диапазоне энергетических распределений, важные для понимания механизмов протекания физико-химических процессов и формирования макроскопических плазменных параметров. Предполагается провести комплексные исследования ранее обнаруженного явления генерации короткого импульса когерентного рентгеновского излучения с целью выяснения природы обнаруженного явления и построения адекватной физической модели. Это позволит определить возможные приложения и методы его использования для научных исследований и практических целей. Будет исследована физика люминесценции широкозонных оксидов под действием ионизирующего излучения высокой мощности. Это важно при разработке методик измерения мощных потоков радиации, необходимых, в частности, при ликвидации ядерных аварий. Воздействия мощного электронного пучка с мгновенной плотностью электрического тока ~ 1 кА/см2 позволяет исследовать физику свечения тел при таком возбуждении. Это открывает перспективы для усовершенствования сцинтилляционных детекторов и позволяет изучать новые механизмы возникающих в таких условиях физических явлений. В качестве передовых теоретических исследований предлагается комплекс работ в области квантовой динамики, кинетики и спектроскопии ряда атомно-молекулярных систем. Будет изучен широкий класс резонансных процессов неадиабатического обмена энергии электронов и фотонов с молекулярными и квазимолекулярными ионами. Акцент будет сделан на исследование новых механизмов таких процессов для ранее неизученных или малоизученных систем. Будут получены надёжные теоретические данные, определяющие режимы функционирования современных сверхмощных ускорителей тяжёлых ионов, необходимые, в частности, при создании новых ускорителей NICA и DERICA в ОИЯИ (Дубна). Еще одной важной актуальной задачей является расчет и теоретический анализ спектров поглощения и рассеяния света упорядоченными молекулярными структурами в видимой и ИК-диапазонах и построение квантовой кинетической модели для описания их нелинейно-оптических свойств. Планируется проведение теоретических работ, направленных на развитие методов создания управляемых квантовых состояний света (в частности, однофотонных состояний), а также методов оценки, характеризации и детектирования этих состояний. Такие методы требуются при исследовании свойств света, находящегося в сильно неклассических состояниях. При этом будет развит формализм и алгоритм построения точных решений управляющего уравнения для матрицы плотности света. К прикладным целям проекта относится разработка и создание линейки спектральных приборов сверхширокого спектрального диапазона – от мягкого рентгеновского до видимого. Существенное внимание будет уделено разработке рентгенооптических элементов и спектральных приборов с высокой разрешающей способностью для диагностики лабораторных и астрофизических источников излучения в ВУФ области спектра, а также создание программного комплекса для решения прямых и обратных задач интерференционной литографии и многослойной рентгеновской оптики. Методология проведения работы – в ходе выполнения поставленных в рамках Государственного задания задач проекта проводилось изучение широкого круга проблем современной оптики, лазерной спектроскопии, физики атомно-молекулярных систем, нано- и микро-структур, физики конденсированного состояния, спектроскопии, кинетики и диагностики плазмы, включающее в себя экспериментальные и теоретические исследования, а также компьютерное моделирование указанных систем и происходящих в них физических процессов. Результаты работы 1. Методом спектроскопии ВНКР получены экспериментальные данные по упругим характеристикам биологических субмикронных частиц. Проведенное моделирование с использованием подхода, развитого Лэмбом, показало хорошее согласие с экспериментальными результатами. 2. Впервые получена генерация первой антистоксовой компоненты ВКР в суспензии алмазных частиц, совпадающая по спектру с двухфотонно - возбуждаемой люминесценцией алмаза. Исследована временная динамика люминесценции ряда органических жидкостей при температуре жидкого азота. 3. Исследована генерация ВКР в случайно-неоднородной среде. Исследована временная динамика стоксовых и антистоксовых компонент. Обнаружено существенное повышение эффективности преобразования при понижении температуры от комнатной до температуры жидкого азота. 4. Создана экспериментальная установка, позволяющая получать двухчастотное излучение с разностной частотой в гигагерцовом диапазоне. 5. Экспериментально продемонстрирован метод внутрирезонаторного низкочастотного комбинационного рассеяния света. 6. Экспериментально исследован процесс ВКР в области второй оптической гармоники. Показана трансформация спектров рассеяния при изменении содержания в активной среде газовых нано пузырьков. 7. Впервые вычислены и объяснены времена жизни пучков ионов Не+ с энергией 3,2 МэВ/н в Бустере проекта NICA, полученный в первом сеансе запуска ускорительной системы. При температуре в “холодной” части вакуумной камеры, равной температуре жидкого гелия T(cold) = 4.2 К, теоретическое значение времени жизни пучка τ(th) = 1.74 ± 0.50 с хорошо согласуется с экспериментальной величиной: τ(exp)=1.32± 0.06 с. Показано, что время жизни пучка определяется в основном процессами ионизации ионов Не+ атомами и молекулами Н2, Не и N2 остаточного газа ускорителя, а вклад процессов перезарядки на этих атомных частицах пренебрежимо мал. 8. Впервые рассчитана динамика зарядовых фракций релятивистских ионов свинца Pb80+ и Pb81+ при сверхрелятивистских энергиях Е ~ 5 ГэВ/н, проходящих через тонкую алюминиевую фольгу, для исследований в рамках проекта Gamma Factory в ЦЕРНе. Получено хорошее согласие между расчетами по программе BREIT и экспериментальными данными ЦЕРН по динамике ионных фракций свинца при релятивистских энергиях. 9. Разработаны методика получения суспензий монодисперсных сферических частиц кремнезема, методика получения из них опаловых матриц (фотонных кристаллов) и способ контроля их качества. 10. Показано, что количество вещества (K2Cr2O7, PPO, 1,4-бис(5-фенилоксазол-2-ил)бензол - POPOP) на поверхности HPHT микроалмаза, необходимое для измерения спектров комбинационного рассеяния, на один-три порядка меньше, чем количество, необходимое для измерения спектров исходного вещества при тех же экспериментальных условиях. Т.е. применение порошка таких алмазов для определения наличия и концентрации различных веществ с помощью КР повышает чувствительность метода в 10 – 1000 раз. 11. Обнаружено, что при лазерном возбуждении таких микроалмазов импульсами пикосекундной длительности с низкой энергией и высокой интенсивностью наблюдается многочастотное ВКР в виде нескольких стоксовых компонент без повреждения исследуемых образцов. Показано существование люминесценции в NV0 (нейтральном) и NV– (отрицательном) центрах в наноалмазах, а также показано насыщение излучения NV центров при увеличении интенсивности возбуждающего излучения. 12. Впервые зарегистрирован ряд комбинационных линий второго порядка в кристаллах танталата лития, интенсивность которых сравнима или превышает интенсивность фундаментальных линий. В спектрах ВКР таких кристаллов впервые наблюдалось несколько линий ВКР на продольных и поперечных полносимметричных модах A1(z)-симметрии, а также на обертонных и составных колебаниях. 13. Впервые были зарегистрированы две стоксовы компоненты ВКР в этаноле и глицерине при пикосекундном лазерном возбуждении третьей гармоникой YAG:Nd3+ лазера. 14. На основе метода построения точного решения управляющего кинетического уравнения, который позволяет самосогласованным образом описать эволюцию квантовой системы двухуровневых атомов, взаимодействующих с электромагнитными полями, в явном виде построены системы квантайзеров и деквантайзеров для кудитов произвольной размерности. 15. Разработана модель описания динамики фотодиссоциации и свободно-свободных переходов в молекулярных ионах инертных газов. Рассчитаны электронные термы и матричные элементы переходов в гомоядерных и гетероядерных ионах инертных газов. Получены сечения и константы скорости фотодиссоциации и свободно-свободного поглощения в плазме смесей тяжелых инертных газов. 16. Предложен подход к описанию кинетики релаксации энергии в плазме, содержащей атомарные и молекулярные ионы в условиях сильного возбуждения степеней свободы тяжелых частиц. Созданы численные алгоритмы расчета сечений и констант резонансных процессов в системе. Определены доминирующие каналы релаксации энергии. 17. С использованием оригинального кода BREIT изучена динамика зарядового состояния релятивистских пучков ионов U и Au, проходящих через различные фольги в диапазоне 100 МэВ/н - 10 ГэВ/н. Установлены условия для получения максимального выхода голых ядер, H-, He- и Li-подобных ионов. Определены оптимальные условия обдирки релятивистских ионов Pb и Xe на ускорителе БАК в ЦЕРНе. 18. Изучена динамика фракций зарядовых состояний пучков ионов Au и U, взаимодействующих с водородной плазмой при энергиях ионов 1,4 и 3,6 МэВ/u. С помощью созданного релятивистского кода DRIMP впервые выполнен учёт диэлектронной рекомбинации (ДР) и рассчитаны ее скорости в пучках Au - и U-ионов в водородной плазме. Установлено, что ДР существенно изменяет характер взаимодействия пучок-плазма и приводит к уменьшению равновесных зарядов пучка, уменьшению равновесных толщин плазмы и искажению формы распределений зарядового состояния. 19. Впервые с использованием квазимолекулярного подхода рассчитаны сечения перезарядки ядер и ионов Be на атомах H при энергиях Е= 1 эВ/н – 100 эВ/н. Развита методика для идентификации рентгеновских и УФ спектров многозарядных ионов в лазерной плазме. 20. Разработана расширенная квантовая кинетическая модель, описывающая нелинейно-оптическое взаимодействие молекулярного J-агрегата с лазерными импульсами с длительностями от сотен фемтосекунд до наносекунд. Подготовлена компьютерная программа для численного моделирования нелинейно нелинейно-оптического отклика. Результаты проведенного моделирования оказались в хорошем согласии с имеющимися экспериментальными данными как по нелинейным показателям поглощения и преломления (длительные импульсы), так и по спектрам переходного поглощения (фемтосекундные импульсы). 21. Реализован метод получения нано и субмикронных частиц оксидов металлов с использованием плазменного разряда под действием ультразвуковой кавитации. Полученные методом плазменного разряда под действием ультразвуковой кавитации наночастицы оксидов титана, цинка, алюминия, железа, меди были исследованы методами динамического светорассеяния и электронной микроскопии. 22. Показано, что ультразвуковое воздействие активирует поверхность наночастиц, способствует их более эффективному взаимодействию с молекулами полимеров. Экспериментально обнаружено повышение значения электрокинетического потенциала поверхности частиц после ультразвуковой обработки, а также увеличение (в 2-4 раза) толщины адсорбционных слоев полимера на поверхности наночастиц. 23. Методом вынужденного низкочастотного комбинационного рассеяния света исследованы фононные свойства синтезированных частиц, а именно, были определены значения собственных акустических колебаний комбинационно активных мод. Определены основные параметры ВНКР, такие как эффективность преобразования и энергетический порог возбуждения. 24. Экспериментально реализована схема двухчастотной накачки систем субмикронных частиц, позволяющая осуществлять эффективное возбуждение таких систем в случае совпадения разностной частоты накачки с собственной акустической частотой субмикронных частиц. С использованием этой схемы была реализована генерация семи эквидистантно расположенных спектральных компонент ВНКР (включая антистоксовые) с разностной частотой в гигагерцовом диапазоне. 25. Отработана технология получения синтетических опаловых матриц. Синтез опаловых матриц с характерным размером глобул в диапазоне от 200 до 500 нм был осуществлен методом естественной седиментации из монодисперсной суспензии сферических частиц аморфного кремнезема. Отработана методика получения нанокомпозитов на основе синтетических опаловых матриц путем введения в поры веществ с различными физико-химическими свойствами. Экспериментально определены собственные акустические частоты кварцевых глобул, составляющих исследуемые образцы. Проведенное математическое моделирование с использованием модели Лэмба, учитывающее влияние окружающей среды, показало хорошее согласие с экспериментальными данными. 26. Экспериментально получена генерация электромагнитного излучения СВЧ диапазона на частотах совпадающих с собственными акустическими частотами глобул. Генерация СВЧ была реализована при импульсной оптической накачке синтетических опаловых матриц в условиях их акустического возбуждения в гигагерцовом диапазоне частот. 27. Были получены экспериментальные данные о характеристиках излучения третьей гармоники в воздухе при использовании для возбуждения излучения фемтосекундного диапазона длительности. 28. С помощью методов лазерной фазовой микроскопии, динамического рассеяния света и атомно-силовой спектроскопии в процессе образования фибринового геля в образцах фибриногена с тромбином впервые были обнаружены прямоугольные структуры толщиной более 500 нм. 29. В контексте задачи о генерации однофотонных импульсов с произвольно заданной временной формой рассмотрена возможность использования многомодовых однофотонных детекторов. Показано, что скорость генерации одиночных фотонов может быть существенно увеличена, при этом чистота приготавливаемых квантовых состояний уменьшается. 30. Исследовано влияние любых отклонений в процессе приготовления квантовых состояний на параметры линии квантовой коммуникации. Предложена общая схема оценки точности приготавливаемых квантовых состояний на основе эффекта двухфотонной интерференции. Оценена нижняя граница на скорость генерации секретного ключа. 31. Экспериментально реализованы квантовые методы детектирования фотонов с пространственный разрешением. Создана однофотонная камера с использованием сверхпроводникового детектора одиночных фотонов. Камера имеет спектральную чувствительность в видимом и ближнем инфракрасном диапазоне (до примерно 1.5 микрона). 32. Разработан компактный высокоэффективный дифракционный ВУФ спектрометр, выполненный по схеме Пашена-Рунге (СПР). 33. Рассчитан монохроматор высокого разрешения для спектральной области 125−4200 Å для источника синхротронного излучения четвертого поколения “СКИФ”. 34. Рассчитана схема литографии плоской VLS-решетки с помощью модуля для автоматического поиска начального приближения. 35. Синтезированы комплексы иона Yb3+ c изомерными 4,4,4-трифтор-2-(нафт-1-ил)бутан-1,3-дионом (L1) и 4,4,4-трифтор-2-(нафт-2-ил)бутан-1,3-дионом (L2) и 1,10-фенатролином (phen) и исчерпывающе исследованы их фотофизические свойства. Оба комплекса характеризуются широкой полосой поглощения в растворе в ацетонитриле в диапазоне 200-390 нм с максимумами при 215, 263, 325 нм, причем максимальный коэффициент экстинкции ε составляет 1,8•105 (л•моль−1•см−1) при 215 нм для комплекса [Yb(L1)3(phen)] и 1,7•105 (л•моль−1•см−1) при 215 нм для комплекса [Yb(L2)3(phen)]. Для обоих комплексов [Yb(L1)3(phen)] и [Yb(L2)3(phen)] была зарегистрирована интенсивная ИК-фотолюминесценция при возбуждении светом с длиной волны 300-390 нм в виде единственной широкой линии с максимумами при 980, 1010 и 1037 нм, соответствующей переходу 2F5/2 2F7/2 иона Yb3+. Квантовый выход ИК-люминесценции весьма велик – 2,2 и 3,2 % (15%), что близко к рекордным значениям, известным из литературы для сходных объектов. 36. Оба комплекса были протестированы в качестве активного слоя в многослойных светоизлучающих структурах, и после оптимизации топологии и состава вспомогательных слоев была получена мощность чистого ИК-излучения (длина волны 985 нм) для диода с топологией ITO/PEDOT:PSS/PVK/комплекс/TPBi/LiF/Al 30 мкВт/см2 при плотности тока 84 мА/ см2 и 11 мкВт/см2 при плотности тока 8,5 мА/ см2 для комплексов [Yb(L1)3(phen)] и [Yb(L2)3(phen)] соответственно. 37. Подробно исследованы спектрально-люминесцентные свойства симметричных флуоресцентных красителей D-A-D типа на основе фрагментов 9-(п-толил)-2,3,4,4a,9,9a-гексагидро-1H-карбазола и 2,1,3-бензохалькогендиазолов. Показано, что данные красители имеют сильно выраженный сольватохромизм в растворах, и определены основные параметры этого процесса. 38. Предложен и реализован метод учета искажений плотностей и распределений свободных электронов плазмы, вносимых зондом Ленгмюра в результате стока на него медленных электронов. Исследованы макроскопические параметры электронов в пространстве разрядного промежутка. 39. Обнаруженные ранее эффекты искажений формы контуров при измерениях поглощения с быстрым сканированием частоты спектра для линий молекул воды в ИК области подтверждены в измерениях поглощения молекулами кислорода в видимой области. 40. Проведены исследования временных характеристик когерентного рентгеновского излучения, возникающего в начальной стадии сильноточного разряда по поверхности феррита. Использована оригинальная методика измерения длительности такого излучения, основанная на измерении фазового сдвига модулированного излучения, что позволило обеспечить точность измерения времени в 100 пс. С целью создания источника когерентного рентгеновского излучения, работающего в частотном режиме проведено исследование по разработке источника импульсного напряжения, работающего в пикосекундном (субнаносекундном) диапазоне, что позволит на порядок уменьшить пиковые значение приложенного напряжения при сохранении высоких значений скоростей его нарастания. 41. На основе эффекта Керра разработана быстродействующая (10-10…12 с) схема измерения напряженности электрического поля в высоковольтном импульсном разряде. 42. Исследованы времена высвечивания импульсной катодолюминесценции (ИКЛ) сцинтилляторов с новыми химическими составами на основе лютециевого оксиортосиликата и редкоземельных оксиортованадатов, в которых методом дополнительного легирования созданы анионные и катионные вакансии. Установлено, что состав Lu2SiO5:Ce3+:P5+ имеет время высвечивания ИКЛ 47.5±0.1 нc, Lu2SiO5:Ce3+:Li+ - 39.5±0.1 нc, и Lu2SiO5:Ce3+:Ca2+ - 37.5±0.1 нc, YVO4:Ca2+- 10.0±0.1 мкс и GdVO4:Ca2+ - 8.6±0.1 мкс. Полученные результаты показывают, что введение примеси Ca2+ в оксиортосиликаты и оксиортованадаты приводит к уменьшению времени высвечивания ИКЛ, что объясняется ростом концентрации кислородных вакансий в исследованных веществах. 43. Изучено взаимодействие структурированных световых пучков с низкомолекулярными нематическими жидкими кристаллами. Установлены характерные черты светоиндуцированного поворота директора и трансформации светового поля, связанные со структурой пучков. 44. Проведены прецизионные исследования электрических и оптических характеристик разряда по поверхности феррита в наносекундном диапазоне и сопоставлены результаты, полученных на сильноточном генераторе (амплитуда выходного тока до 270 кА и время его нарастания 20 нс, напряжение на выходе генератора в экспериментах достигало 240 кВ ) и на маломощном источнике импульсного напряжения с амплитудным значением до 300 кВ и с фронтом нарастания ~1 нс. Установлено, что в начальной стадии разряда, возникает генерация короткого (t<2 нс) импульса когерентного электромагнитного излучения, 50% энергетического спектра которого лежит в области достаточно жесткого рентгеновского излучения (hν >1 кэВ). Генерация такого излучения происходит до начала сильноточной фазы и определяющую роль в его формировании играет скорость нарастания приложенного напряжения. 45. Предложен физический механизм генерации наблюдаемого излучения, основанный на возбуждении кратковременного намагничивания участков феррита при прохождении импульса электромагнитного поля и последующего когерентного сложения вторичных волн. 46. С целью создания излучателя когерентного рентгеновского излучения, работающего в частотном режиме, было проведено исследование разряда в некипящем жидком азоте. На основе данного разряда изготовлен заостритель для формирования импульсов с длительностью нарастания менее 80 пс (скорость нарастания напряжения >300кв/нс), напряжением 25 кВ, длительностью 1-5 нс, током 500 А, частотой 3 кГц. 47. Для коллоидных нанокристаллов HgSe с различным типом пассивирующих лигандов установлен оптимальный тип лигандов, обеспечивающих максимальные значения чувствительности и обнаружительной способности при комнатной температуре: 3.1×107 Джонс и 0.5 А/Вт, соответственно. 48. Для серии биядерных комплексов меди Cu (I), обладающих эффектом термически-активируемой задержанной флуоресценции выявлен лучший с точки зрения эффективности и яркости органического светодиода на его основе. Максимальная яркость составила 5900 кд/м2, а токовая эффективность 3.79 кд/А для органического светодиода с архитектурой ITO/PEDOT-PSS/poly-TPD/Cu(I):CBP:TcTA(2:5.5:2.5)/ TPBi/LiF/Al. 49. В результате применения методики модификации анионного лиганда было достигнуто увеличение квантового выхода фотолюминесценции более чем на порядок для комплекса тербия Tb(czb)3. Органический светодиод на основе Tb(czb)3 демонстрировал узкополосную электролюминесценцию с рекордной для растворных диодов яркостью 332 кд/м2. Показано, что длительное время жизни в возбужденном состоянии является одним из наиболее важных факторов, ограничивающих максимальные показатели органических светодиодов на основе комплексов европия. 50. Показано, что наибольшей стабильностью и интенсивностью свечения в режиме импульсной катодолюминесценции обладают люминофоры на основе тетрабората стронция, легированные европием. Изготовлены прототипы катодолюминесцентных источников света для дезинфекции воздуха. 51. Для новой гибридной наноантенны с коллоидными квантовыми точками CdSe/CdS, в основание серебряного нанокуба помещенного внутрь металлической «лунки» выявлено увеличение скорости (≥30) и интенсивности флуоресценции (≥3) благодаря наличию эффекта Парселла. Показано, что величина плазмоного резонанса в такой системе существенно зависит от поляризации возбуждающего излучения.