Развитие физических принципов квантовых оптических и спиновых технологий, спинтроники сверхпроводящих и магнитных топологических систем

Цель научного исследования Создание твердотельных устройств на основе примесных кристаллов для обработки и хранения квантовой информации. Разработка источников многомерных однофотонных состояний (кудитов) на основе нелинейных оптических эффектов для систем квантовой связи в открытом пространстве. Разработка и реализация протоколов квантового хэширования на основе многомерных однофотонных состояний. Разработка эффективных схем оптической и микроволновой квантовой памяти. Разработка материалов для квантовых оптических технологий и радиофотоники. Исследование нелинейных свойств коллоидных растворов наночастиц и органических пленок, перспективных для создания частотных преобразователей света и нанобиосенсоров. Разработка методов генерации последовательности коротких световых импульсов для решения задач спектроскопии сверхвысокого разрешения с использованием оптических гребенок и развитие методов кодирования информации во временной форме излучения. Развитие методов оптической эхо-спектроскопии возбужденных состояний примесных ионов в твердых телах. Разработка физических основ оптического контроля динамики намагниченности в наноструктурированных материалах и гетероструктурах. Создание научных основ спиновых технологий и поиск новых спин-зависимых явлений. Использование спиновых степеней свободы света для управления оптическим излучением в гетероструктурах. Создание фундаментальных основ разработки новых перспективных материалов для использования в технологиях ближайшего будущего, опирающихся на широкое применение спиновых кластеров, стекол, разбавленных магнитных полупроводников, легированных магнитными 3d-ионами, и активированных редкоземельными ионами диэлектрических кристаллов. Развитие методологии ЭПР для применения в бтологии и медицине:исследование роли свободного радикала – оксида азота и элементов антиоксидантной системы – супероксиддисмутаз в процессах, ведущих к ишемии мозга и инфаркту для поиска терапевтических (протекторных) воздействий; исследование роли фазовых и структурных превращений в солях глюконовой кислоты (лекарственных препаратах для лечения различных заболеваний, пищевых добавках и т.д.), происходящих при их механохимической обработке, на лечебные свойства системы. Разработка нового медицинского диагностического оборудования на основе магнитного резонанса. Поиск и разработка новых систем для использования в технологиях ближайшего будущего, основанных на широком использовании их макроскопических квантовых свойств. Для достижения этой цели необходимо всестороннее исследование таких явлений как: а) эффектов сильных электронных корреляций в транспортных и локальных свойствах новых поколений высокотемпературных сверхпроводящих систем; б) эффекта близости в гибридных мезоскопических структурах сверхпроводник/полуметалл, включая ферромагнитные полуметаллы со 100% поляризацией зоны проводимости; в) топологической сверхпроводимости, магнетизма и других явлений, возникающих при допировании топологических изоляторов и родственных систем различными магнитными и немагнитными ионами Поиск и исследование новых систем с мультифункциональными и магнитоэлектрическими свойствами, с низкоразмерным и фрустрированым магнетизмом, с различными видами локального магнитного и зарядового упорядочения для обнаружения и использования необычных функциональных свойств в элементной базе современных информационных систем. Описание задач, предлагаемых к решению Исследование методами импульсной ЭПР-спектроскопии времен спин-спиновой и спин-решеточной релаксации электронных спиновых систем примесных ионов переходных групп в форстерите и ортосиликате иттрия. Установление природы физических процессов, определяющих время спин-спиновой и спин-решеточной релаксации электронных спиновых систем примесных парамагнитных центров в монокристаллах форстерита и ортосиликата иттрия. Исследование методами широкополосной перестариваемой ЭПР-спектроскопии некрамерсовых ионов Tm3+ в кристалле PbGa2S4. Определение физических характеристик монокристаллов MnxHg1-xTe (0.098) из температурных и угловых зависимостей спектров магнитного резонанса, зависимости сопротивления от магнитного поля, константы Холла, температурной зависимости намагниченности и теплоемкости. Электромагнитное моделирование и оптимизация 3D-геометрии резонаторов для увеличения эффективности схем многорезонаторной квантовой памяти. Теоретический анализ протокола квантовой памяти для ослабленных микроволновых импульсов на системе объемных резонаторов, находящихся при гелиевых температурах. Экспериментальное и теоретическое исследование прохождения многомерных однофотонных состояний через турбулентную атмосферу. Разработка и реализация протоколов квантового хэширования с использованием кудитов на основе однофотонных состояний с орбитальным угловым моментом. Исследование характеристик бифотонного поля, генерируемого в процессе спонтанного четырехволнового смешения в оптических нановолокнах. Теоретическая разработка и оптимизация перспективных схем квантовой памяти на центрах окраски в алмазе. Разработка технологии выращивания кристаллов LiYF4 и Y2SiO5, активированных редкоземельными ионами. Изучение нелинейных процессов поглощения и генерации фотонов в новых оптических материалах (наночастицы и органические пленки) методами стационарной и время-разрешенной люминесцентной спектроскопии и фемтосекундной pump-probe спектроскопии. Исследование процессов взаимодействия новых материалов с окружающими жидкими средами, разработка методов защиты от негативных воздействий ряда органических тушителей, имеющих высокоэнергетические осцилляторы в своем составе. Разработка метода генерации последовательности коротких световых импульсов с использованием фазовой модуляции излучения с помощью лавинно-пролетного диода и фильтрации такого излучения через резонансный фильтр. Экспериментальное и теоретическое исследоание осцилляций интенсивности некогерентного фотонного эха в примесных кристаллах в зависимости от величины магнитного поля. Теоретическое исследование некогерентного экситонного эха на полупроводниковых квантовых точках CdSe/CdS/ZnS. Разработка технологии синтеза и характеризации образцов, схем возбуждения и детектирования плазменных и магнетоплазменных волн в тонкопленочных гетероструктурах. Теоретическое и экспериментальное исследование спиновых поляритонов, которые образуются в растворах парамагнитных частиц за счет эффекта отдачи при переносе спиновой когерентности при случайных столкновениях частиц. Продолжение работы по реализации квантовой логической операции CNOT с использованием спинов неспаренных электронов парамагнитных центров в качестве кубитов и применением импульсной ЭПР спектроскопии для контроля состоянием кубитов. Поиск новых протоколов и парамагнитных центров для реализации CNOT. Планируется использовать органические бирадикаы, пары (димеры) парамагнитных центров, например, в форстерите. Изучение системы с перекрывающимися спектрами ЭПР для учета эффекта перекрывания и повышения точности измерения расстояний в нанометровом диапазоне. Исследований влияния переноса заряда и энергии на фотоиндуцированные процессы в молекулярных системах, включая триады донор-акцептор- стабильный радикал. Исследования факторов, определяющих температуру блокирования в 3d-4f кластерах разного состава и структуры. Исследование керамики Fe:TiO2 методом магнитного резонанса в разных частотных и температурных диапазонах. Исследования методом время разрешенного ЭПР квазиодномерных спин-кроссовер цепочечных структур Fe(III) с основаниями Шиффа и мономолекулярных композиционных систем содержащих атомы хрома и железа. Исследование методом ЭПР спектроскопии динамики содержания оксида азота и меди (как показателя уровня супероксиддисмутаз) в гиппокампе, сердце и печени крыс на разных сроках после моделирования травмы головного мозга. Разработка новых импульсных последовательностей, для уменьшения времени сканирования и повышения качества получаемых изображений, модулей программного обеспечения для улучшения качества томографических изображений с использованием методов искусственного интеллекта (совместно с университетом «Иннополис»). Исследования диагностических возможностей специализированного томографа с полем 0.4 Тл. Разработка методик для диагностики заболеваний суставов (совместно с КГМУ и КГМА ПО). Разработка способа диагностики и реабилитации пациентов с нарушениями голосо-речевой функции с применением магнитно-резонансной томографии и метода спектрального анализа голоса с использованием методов искусственного интеллекта (совместно с КГМА ПО). Исследование особенностей контрастирования вновь разрабатываемых контрастных веществ для МРТ (0.4 Тл) на биологических объектах. Проведение измерений как в режиме визуализации, так и в режиме измерения релаксационных характеристик и коэффициента самодиффузии (совместно с ИОФХ и КИББ). C помощью измерений ЭПР и нерезонансного микроволнового поглощения, а также SQUID-магнитометрии обнаружить магнитную перестройку в сверхпроводниках на основе пниктидов железа, таких как EuFe2As2 и их аналогах. Создание пробных образцов CoOx/Fe/Nb/Fe с диэлектрической прослойкой Al2O3 между слоями железа и ниобия, где будут полностью определены и оптимизированы все параметры этой системы. Исследование возможности образования в топологических изоляторах зарядовых неоднородностей, связанных с образованием в их объеме наноразмерных зарядовых капель, и анализ их влияния на транспорт и магнетотранспорт поверхностных носителей тока. Экспериментальное исследование и моделирование магнитных и магнитоэлектрических свойств ферроиков и гетероструктур на их основе с различными видами зарядового неоднородного магнитного упорядочения. Исследование свойств низкоразмерных и фрустрированных магнетиков, подобных BiCoPO5.