4. Физика конденсированного состояния: новые материалы, молекулярные и твердотельные структуры наноэлектроники, фотоники и спинтроники и их приложения в технике и медицине

Экспериментальные и теоретические исследования физических явлений и процессов в новых материалах и твердотельных структурах для нанофотоники, наноэлектроники, спинтроники и управляемого термоядерного синтеза (УТС). Разработка и исследование материалов и структур с новыми физическими свойствами, а также материалов, структур, приборов и устройств для различных приложений. Для ее достижения будут решаться следующие задачи. Определение характеристик новых материалов для наноэлектроники и спинтроники с помощью первопринципного моделирования и теоретическое изучение влияния флуктуаций и многочастичных эффектов на характеристики наноматериалов. Исследование механизмов нарушения симметрии в открытых квантовых системах, методов их описания и динамических характеристик. Исследование явлений коллапса резонансов и формирования локализованных состояний в электронных и оптических волноводах. Исследование топологически нетривиальных состояний в системах с нарушенной макроскопической симметрией, в частности, в наносистемах с низкоэнергетическими майорановскими модами. Определение механизма сверхпроводимости в топологических сверхпроводниках со сверхпроводящей щелью в объеме и бесщелевыми поверхностными состояниями Майорана. Исследование систем (полупроводниковые системы, пленки дихалькогенидов переходных металлов и др.), содержащих дираковские электроны либо на интерфейсах (топологические изоляторы), либо в объеме (дираковские полуметаллы), в т.ч., систем с добавленной магнитной компонентой. Это может стать одной из основных задач будущей низкотемпературной спинтроники. Разработка и экспериментальная реализация нового механизма генерации когерентного излучения в наноструктурах из квантовых ям, который может быть положен в основу нового типа непрерывно перестраиваемого по частоте генератора терагерцового диапазона. Разработка структур для генерации когерентного излучения в средней и далекой терагерцовой ИК областях спектра. Разработка и исследование твердотельных структур для активных элементов лазеров с высокими выходными характеристиками и их использование в фотонике. Изучение процессов, протекающих при лазерной генерации в твердотельных лазерах на кристаллах и керамике. Поиск и исследование методов получения низкокогерентного лазерного излучения. Теоретические исследования, направленные на создание аналога фазированных антенных решеток (ФАР) радиодиапазона в оптическом диапазоне спектра. Исследования в области инактивации патогенных микроорганизмов и вирусов ультрафиолетовым излучением мощных светодиодов. Исследование квантовых свойств излучения квантовых нитей (КН) с потенциалом различного профиля и излучателей, связанных с дефектами в широкозонных полупроводниках и алмазах. Исследования динамики поляритонов в микрорезонаторах (МР) в режиме бозе- конденсации и экситонов в наноструктурах с КЯ и КН и квантовыми точками (КТ), а также фазовых переходов в электронно-дырочных системах, в т. ч., в структурах с металлическими наночастицами для кремниевой нанофотоники. Исследование взаимодействия когерентных фононов с дефектами и электронной системой в гетероструктурах. Исследования спиновой динамики и эффектов киральности экситонов в низкоразмерных полупроводниковвых структурах и объемных полупроводниках, поляритонов в МР и системах металлических наноостровов. Разработка перспективных для нано- и оптоэлектроники полупроводниковых структур гексагональной симметрии на основе многослойных систем полупроводник-диэлектрик со слоями Si, Ge, C, GaAs и др., имеющих дираковский закон дисперсии. Исследование взаимодействия наноструктурированных материалов с патогенными и непатогенными микроорганизмами. Исследования токсичности наноструктур (наночастиц) для микроорганизмов, включая исследования антибактериальных свойств и разработку соответствующих материалов, а также потенциала их использования для разработки биосенсоров. Применение спектроскопии комбинационного рассеяния и ГКР-активных подложек для исследований биологических систем и их структурных компонентов. Выявление взаимосвязи кристаллической, электронной, и магнитной структуры фрустрированных магнитных систем на основе 3d-металлов с помощью спектроскопии ЯМР. Установление характеристик спиновой структуры, спиновой динамики и сверхтонких взаимодействий. Разработка оборудования для магнитно-резонансной томографии. Физические основы МРТ. Системы с частичным порядком. Исследование и писк оптимальных условий для реализации магнитоэлектрических эффектов и интегрирования качеств мультиферроиков с топологическими свойствами материалов. Применение методов Мессбауэровской спектроскопии для исследования магнитной структуры гелимагнетиков, а также магнитных наночастиц, используемых в качестве контрастных агентов для магнитно-резонансной томографии. Физические основы визуализации в ЯМР томографах. Разработка оборудования для магнитно-резонансной томографии. Развитие принципов ЯМР микроскопии. Изучение свойств конденсированных сред с частичным порядком на примере би- и мультислоевых пленок смектических жидкокристаллических молекулярных соединений. Создание магнитно-резонансных томографов для точной диагностики человеческого организма. Изучение поведения наночастиц внутри живых организмов для улучшения контраста ЯМР томографии. Создание модели взаимодействия молекул цитохрома ц с мембранами клеток на основе молекулярно-динамических расчетов. Изучение процессов взаимодействия молекулярных комплексов цитохрома ц с кардиолипином на основе изучения динамики хемилюминесценции. Изучение сверхслабого свечения живых систем с целью разработки ранней диагностики нового типа. Исследование процессов радиационного повреждения алмаза, фазового перехода алмаз-графит и свойств аморфной фазы в разупорядоченном алмазе. Разработка устройств алмазной электроники. Выявление ключевых характеристик приборных наноструктур, влияющих на деградацию интегральных схем. Изучение структуры и свойств несущих алмазных покрытий. Создание и изучение процессов в твердотельных лазерах на полупроводниковых структурах и керамике. Изучение физики роста кристаллов на искривленных поверхностях в мишенях для лазерного термояда. От совершенства структуры этих кристаллов зависит эффективность работы энергетических установок. Развитие методов улучшения характеристик высокотемпературных сверхпроводников при их взаимодействии с ударными волнами. Изучение физики ударных волн в твердых телах. В качестве развития методики создание нейтронно-физических установок на современных источниках нейтронов. Исследование структуры новых материалов с использованием импульсных источников медленных нейтронов. Исследование взаимодействия с неорганическими материалами кумулятивных плазменных, корпускулярных и электромагнитных потоков с высокой плотностью и интенсивностью энергии. Модификация свойств и создание новых материалов посредством экстремального энергетического воздействия. Разработка и применение твердотельных мишеней в экспериментах по УТС, физике плазмы, генерации нейтронов и экстремальных полей, ускорению частиц, моделированию астрофизических явлений. Экспериментальное и теоретическое моделирование для создания элементной базы и методик для поточного формирования и частотной доставки в зону лазерного облучения бесподвесных криогенных топливных мишеней. Моделирование и эксперименты для создания элементной базы и решений по реакторным мишеням.