1. ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКИЕ НАУКИ

В Институте математики им. С.Л. Соболева построена теория (алгебраическая и теоретико-модельная) кратно нормированных полей. Она позволяет найти удивительные расширения поля рациональных чисел, сочетающие в себе все положительные свойства классических расширений R поля вещественных чисел и полей p-адических чисел. Все удивительные расширения обладают одними и теми же элементарными свойствами (логическая полнота); их элементарная теория алгоритмически разрешима. Существование разрешимых удивительных расширений позволяет, используя их вместо иделей, эффективизировать классическую теорию полей классов.

В том же Институте впервые установлен явный вид точной и грубой асимптотик вероятностей больших уклонений для широкого класса векторнозначных цепей Маркова. Задача получила, по существу, полное решение для цепей размерности не более двух. Одновременно установлено, что подобное полное решение в случае размерности три и более не существует. Для цепей такой размерности получены оценки сверху. Решение этих задач представляет также значительный прикладной интерес, так как цепи Маркова в положительном ортанте являются математическими моделями для очень распространенных в приложениях сложных коммуникационных сетей и сетей обслуживания. При их расчете важно обеспечить малую вероятность "переполнения" (перегрузки) этих систем (т. е. попадания траекторий цепи в некоторое удаленное множество), при котором наступают либо потери, либо блокировка системы и т. д. Полученные результаты позволяют находить приближенные значения этих малых вероятностей или оценивать их.

Нахождение новых классов точных решений для уравнений газовой динамики (УГД) существенно расширяет область знаний о движениях газа и дает новые эталоны для тестовых расчетов. В Институте гидродинамики им. М.А. Лаврентьева реализована научная программа "Подмодели" для УГД, в итоге которой получен большой массив новых точных решений (подмоделей). Путем групповой классификации построена структура множества подмоделей УГД, содержащая более тысячи представителей, которые описаны на уровне упрощенных по сравнению с исходной системой дифференциальных уравнений. Ряд подмоделей детально изучен для выяснения их физической сущности (траектории частиц газа, характеристические коноиды, свойства периодичности, точечные особенности типа источников и т. п.) (рис.1.1).

В Институте динамики систем и теории управления впервые в мире построена общая теория логико-интегро-операторных уравнений, например моделирующих логико-динамические процессы в асинхронных цифровых приборах: доказаны теоремы существования, единственности и продолжимости решений в смысле Каратеодори и их совпадение при определенных условиях с решениями Филиппова и обобщенными решениями II рода. Созданы основы качественной теории для исследования достижимости и некоторых других динамических свойств решений таких уравнений в терминах вектор-функций сравнения, некоторые компоненты которых являются логическими функциями. Этот класс математических моделей может обладать на практике лучшей сбалансированностью свойств адекватности описания моделируемых объектов и сложности своего изучения, чем модели математической физики или автоматные модели динамики (рис. 1.2).

Учеными Института физики им. Л.В. Киренского построена иерархическая система обширного семейства перовскитоподобных кристаллов, включающего в себя большинство известных высокотемпературных сверхпроводников, сегнето- и пьезоэлектриков, материалов нелинейной оптики и квантовой электроники. Эта система позволяет с единой точки зрения описать строение и последовательности их фазовых переходов, предсказать возможности существования новых кристаллических структур этого класса (рис. 1.3). Развит первопринципный подход к количественному описанию основных физических характеристик сложных ионных структур, динамики их решетки и механизмов возникновения неустойчивости фаз.

В этом же Институте развит обобщенный метод сильной связи для описания электронных систем с сильными электронными корреляциями. В рамках этого метода предсказан ряд принципиаль но новых физических эффектов, таких как температурные квантовые осцилляции в тяжелофермионных и магнитных полупроводниках, обнаруженных затем экспериментально; описаны электронные и магнитные характеристики ряда новых объектов (высокотемпературные сверхпроводники, фуллерены и системы на их основе). Показано, что причиной больших температур перехода в сверхпроводящеее состояние Т_с в оксидах меди и малых Т_с в рутенате при одинаковых значениях параметра взаимодействия является различная симметрия параметра порядка. В режиме сильных электронных корреляций решение s-типа невозможно, решение d-типа с симметрией d(x² – y²) обусловлено антиферромагнитным обменом и соответствует оксидам меди с Т_с ~ 100 K. Решение р-типа обусловлено ферромагнитным обменом, формируется вблизи ферромагнитной неустойчивости в рутенате и приводит к Т_с~ (1–3) K, s, p, d – тип волновой функции связанного состояния куперовской пары (рис.1.4).

Рис. 1.4. Сравнение зависимостей критической температуры Tc (в K) от концентрации носителей заряда n0 для р (сплошные кривые) и d (пунктирные кривые) каналов спаривания. Здесь lp = I/t, ld = (2J-I)/t) – нормированные константы связи, t – интеграл туннелирования электронов, J – параметр антиферромагнитного суперобмена, I – параметр прямого ферромагнитного обмена.		Рис. 1.5. Тепловизионное изображение, полученное с помощью матричного фотоприемника на диапазон 8–12 мкм, изготовленного из гетероэпитаксиальных структур кадмий-ртуть-теллур, выращенных методом молекулярно-лучевой эпитаксии.

Учеными Института физики полупроводников создана современная конкурентоспособная технология производства материала для изготовления многоэлементных инфракрасных (тепловых) фотоприемников с параметрами, близкими к теоретически предельным. В отличие от зарубежных аналогов, производимых на дорогих пластинах КРТ (кадмий-ртуть-теллур), созданы фотоприемники на пленках КРТ, выращенных с помощью уникальной технологии, на дешевых арсенид-галлиевых подложках (рис. 1.5), что открывает путь к массовому производству дешевых фотоприемных устройств. На выращенных структурах совместно с учеными КТИ прикладной микроэлектроники изготовлены работающие при слабом охлаждении (210–220 K) многоэлементные фотоприемные матричные (128x128 элементов) и линейные (2x128 элементов) устройства, созданы фотоприемные матрицы и линейки с длинноволновой границей фоточувствительности до 12 мкм. На гетероэпитаксиальных структурах BaF₂ /PbSnTe (In) реализованы матричные фотоприемники на длину волны 12–25 мкм.

В КТИ прикладной микроэлектроники создана унифицированная элементная база для приборов ночного видения, низкоуровневых телевизионных систем и тепловизионных камер на различные спектральные диапазоны. На ее основе изготовлены ночные прицелы с минимизированным приборным фоном "Аргус-8", ночные телевизионные прицелы с разнесенными каналами прицеливания и визирования "Аргус-21" (рис. 1.6). Прицелы прошли успешные Государственные испытания и показали превосходство над серийными образцами по важнейшим эксплуатационным параметрам – устойчивости к засветкам в реальных условиях поля боя и малым габаритам и массе. Аналогов прицела "Аргус-21", который эффективно использовался при ведении стрельбы в ночных условиях из закрытых позиций, сходу, из неустойчивых и нестандартных положений, на вооружении Российской Армии нет. Созданы также низкоуровневые телевизионные системы (НТВС), например низкоуровневая телевизионная камера "Цербер-12" (рис. 1.7), пригодная, в отличие от обычных телевизионных модулей, для проведения телевизионных съемок при любой освещенности объектов.

Сочетая в себе достоинства приборов ночного видения и телевизионных камер, НТВС могут быть использованы в системах дистанцион ного контроля и наблюдения промышленных объектов и технологических процессов, в системах охраны объектов. В этом же Институте выполнен анализ принципов создания и разработана концепция построения оптико-электронных модулей двуспектральных обзорно-наблюдательных систем, обеспечивающих наблюдение за ландшафтом и выделение движущихся объектов в любое время суток и в сложных погодных условиях. Изготовлены два варианта макетных образцов системы, состоящей из низкоуровневого телевизионного канала (спектральный диапазон 0,7–0,9 мкм), матричного тепловизионного канала (спектральный диапазон 3,0–5,0 мкм), модулей электронной обработки, визирования и питания (рис. 1.8). Совмещение изображений осуществлено в оптическом блоке системы. Реализованы высокое качество изображения и предельно низкие масс-габаритные характеристики.

В Институте физики полупроводников развита технология молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ) для создания объектов нанометровых размеров с заданными свойствами, что позволило впервые в мире экспериментально обнаружить ряд уникальных свойств двумерного электронного газа. В частности, доказано существование предсказанных ранее квантовых поправок к проводимости; впервые в полупроводниках обнаружены "топологи ческие переходы Лифшица", связанные с изменением формы поверхности Ферми; впервые реализован эффект Ааронова–Бома в кольцевых баллистических наноструктурах и на его основе создан и исследован первый интерференционный квантовый транзистор. С использованием разработанной в ИФП технологии создания сверхтонких слоев кремния-на-изоляторе (КНИ) создан работоспо собный планарный одноэлектронный полевой транзистор с расщепленным затвором (рис. 1.9) на структурах с минимальными размерами элементов до 40 нм при толщине монокристаллических пленок кремния до 50 нм.

Рис. 1.9. Планарный вариант одноэлектронного транзистора на КНИ. Слева – фото, справа схема транзистора, где S – исток, D – сток, G – расщепленный затвор.

Учеными Института сенсорной микроэлектро ники совместно с учеными Института физики полупроводников разработаны физико-химические основы инженерии дефектов для управления образованием взаимоориентированных нанокристал лических зародышей (размером 2–3 нм) в аморфных пленках на стеклянных подложках при нестационарных термических воздействиях излучением эксимерных лазеров наносекундной длительности. Получены совершенные субмикронные слои поликристаллического кремния на стекле для изготовления активных матриц управления жидкокристаллическими дисплеями и рентгеновских матриц для медицинских целей (рис.1.10).

Учеными Института автоматики и электромет рии обнаружено, что широко известный и лежащий в основе лазерной физики постулат Эйнштейна о равенстве вероятностей процессов поглощения и вынужденного испускания излучения, считавшийся до последнего времени справедливым во всех ситуациях, нарушается при нерезонансном оптическом возбуждении и при частых столкновениях. Ярким проявлением этого эффекта является установление инверсии заселенностей в двухуровневой системе при нерезонансном оптическом поглощении излучения (рис. 1.11). Эффект зарегистрирован экспериментально в виде генерации когерентного излучения на резонансных переходах атомов натрия.

В Институте лазерной физики разработаны физические принципы и впервые созданы фемтосекундные оптические часы – фемтосекундная шкала времени и частот с использованием высокостабильных ультракоротких оптических импульсов. Эти часы имеют стабильность порядка 10^–14÷10^–15 и в 5–10 раз меньше элементов и блоков (рис.1.12), чем традиционные оптические часы. Совместно с учеными Макса Планка института квантовой оптики (Гархинг, Германия) впервые измерена с точностью 3,2x10¹¹ абсолютная частота запрещенного перехода 5s^{2 1}S₀®5s 5p ³P₀ одиночного иона индия, захваченного в ловушку, выполнены эксперименты по прецизионной спектроскопии атома водорода, дейтерия, мюония, уточнению фундаментальных физических констант, проверке квантовой электродинамики, созданию единого эталона времени, частоты и длины (Государственная премия Российской Федерации в области науки и техники 1998 г.).

Учеными Института лазерной физики, Института теоретической и прикладной механики, Института цитологии и генетики совместно с учеными Сибирского отделения академии медицинских наук при теоретических и экспериментальных исследованиях установлена неизвестная ранее математическая связь между диаметрами сосудов, углами их ветвления и тремя парами вращательной и поступательной скоростей кровотока (рис. 1.13).

В Институте автоматики и электрометрии обнаружены и объяснены эффекты фотоиндуцирован ного отражения и просветления сегнетоэлектри ческих кристаллов. Это позволило разработать и экспериментально реализовать новую технологию создания узкополосных перестраиваемых фильтров на кристаллах ниобата лития для области спектра 500÷800 нм, с полосой отражения l_D ≤ 0,01 нм и областью перестройки ~ 10 нм (рис. 1.14), предназначаемых для устройств мониторинга атмосферы, волоконных линий связи, бортовой аппаратуры.

В этом же Институте разработана методика определения информативной системы признаков процесса горения газообразных углеводородов, выявлены закономерности трансформации оптических свойств пламени при изменении режимов горения. Разработан набор датчиков и газоанализаторов, на основе которых создан и внедрен комплекс дистанционной диагностики процессов горения (рис.1.15). Показано, что такой подход не только позволяет осуществлять оперативную диагностику, но и наиболее эффективен для оптимального управления сжиганием газового топлива с целью его экономии и экологической безопасности.

Учеными СКТБ "Наука" совместно с учеными Института физики им. Л.В.Киренского теоретически получен и экспериментально реализован эффект интерференционного гашения монохроматического излучения прямо проходящего через полимерную пленку с капсулированным ансамблем монослойно упорядоченных биполярных капель нематического жидкого кристалла (рис.1.16).

В КТИ научного приборостроения разработана серия автоматизированных бесконтактных оптико-электронных систем технического зрения для эффективного контроля геометрических параметров топливных элементов атомных реакторов, в том числе: система размерного контроля заглушек тепловыделяющих элементов (ТВЭЛ) атомных электростанций (рис. 1.17) с временем контроля одной заглушки (~ 50 параметров) не более 15 с, которая с 2000 г. находится в эксплуатации на Чепецком механическом заводе (г. Глазов), и быстродействующая бесконтактная лазерная оптико-электронная система "Радар", предназначенная для измерения профиля поверхности изделия и его дефектов в цеховых условиях, которая обеспечивает измерение профиля участка поверхности 2,3 x 2,3 мм и глубиной профиля до 10 мм с погрешностью не более 2 мкм. Время измерения дефекта глубиной 50мкм не более 15 с. Результаты измерения представляются в виде трехмерной модели и записываются в базу данных для дальнейшего детального анализа (рис. 1.18). Созданная система "Радар" пущена в эксплуатацию в технологической линии производства тепловыделяющих элементов (ТВЭЛ) атомных электростанций машиностроительного завода г.Электросталь (Минатом РФ). В отличие от контактных систем контроля бесконтактные оптико-электронные системы позволяют значительно ускорить контроль и при этом не разрушают поверхность точных "нежных" изделий.

Учеными Института сильноточной электрони ки впервые экспериментально наблюдался процесс перехода автоэлектронной эмиссии во взрывную электронную эмиссию (рис. 1.19). На основе явления взрывной электронной эмиссии, открытого ранее в Институте, создан целый класс сильноточных электронных и ионных ускорителей. Среди них первый в мировой практике индуктивный накопитель с плазменным прерывателем тока, имеющим микросекундное время проводимости (Государственная премия Российской Федерации в области науки и техники 1998 г.).

В этом же Институте впервые в мире экспериментально получена генерация мощного СВЧ-излучения в сверхразмерных электродинамических системах при низкой напряженности магнитного поля. В релятивистском СВЧ-генераторе с виртуальным катодом и предварительной модуляцией сильноточного электронного пучка получена генерация одномодового СВЧ-излучения с мощностью не менее одного гигаватта с длиной волны порядка 10см при длительности импульсов излучения 20–30 нc (рис. 1.20).

В Институте ядерной физики им. Г.И. Будкера завершены эксперименты на накопителе ВЭПП-2М, в течение 25 лет являвшемся основным поставщиком фундаментальной информации в мире в своей области энергий. На работавших в последние годы детекторах КМД-2 и СНД зарегистрировано 4 млрд событий. Впервые исследованы процессы полулептонного распада K_s-мезона и рождение экзотичес ких скалярных мезонов, имеющие важное значение для понимания физики сильных взаимодействий. Впервые обнаружены распады ро-мезона и фи-мезона в четыре пи-мезона, а также ро-мезона и омега-мезона в два пи-ноль-мезона и гамма-квант. Обнаружено наличие сложной структуры в сечении процесса рождения трех пи-мезонов в области энергий выше фи-мезона, что является серьезным указанием на существование новой частицы – резонанса из семейства омега-мезонов. При изучении аннигиляции электронов и позитронов в три пи-мезона обнаружена структура в виде широкого пика с массой около 1,2 ГэВ (~ 1,2 массы протона). Наиболее вероятным объяснением наблюдаемой структуры является существование в природе новой короткоживущей частицы – возбужденного состояния омега-мезона, предсказываемого некоторыми теоретическими моделями (рис. 1.21).

Для иллюстрации на этом же рисунке приведены данные (MD2), полученные в исследовательском центре Орсе (Франция). В экспериментах на накопителе ВЭПП-2М определен формфактор пи-мезона с точностью 0,5 % (с использованием предложенного и развитого в том же Институте метода резонансной деполяризации для точного измерения энергии). Вместе с точным определением адронных реакций во всем доступном этому накопителю диапазоне энергий эти измерения позволили определить точное значение электромагнитной константы связи при энергии в 100ГэВ (в области так называемого Z-бозона). Эти данные дали возможность определить с высокой точностью "адронную часть вклада поляризации вакуума" в гиромагнитное отношение мюона, с рекордной точностью определенное в эксперименте, при участии ИЯФ им. Г.И.Будкера, в Брукхейвенской Национальной Лаборатории (США), что дало серьезные указания на эффекты, выходящие за рамки "Стандартной Модели".

Молодыми учеными Института ядерной физики им. Г.И. Будкера измерено сечение дельбрюков ского рассеяния с точностью в 10 раз лучшей, чем в предшествующих экспериментах, и впервые в мире наблюдался процесс расщепления фотона. Экспериментальные данные хорошо согласуются с полученными в том же Институте теоретическими результатами. За цикл работ, являющийся важным вкладом в изучение процессов квантовой электродинамики в сильных полях, трем сотрудникам Института в 2000г. была присуждена золотая медаль РАН для молодых ученых.

В Институте космофизических исследований и аэрономии разработана нелинейная самосогласованная теория ускорения космических лучей ударными волнами, образующимися в процессах с большим энерговыделением в космическую среду (плазму). В Солнечной системе такие ударные волны порождаются выбросами корональной массы в солнечный ветер. Применение нелинейной теории ускорения космических лучей позволило впервые получить обоснованное заключение о том, что наблюдаемый спектр галактических космических лучей (ГКЛ) формируется в остатках сверхновых, а также детально объяснить явление генерации спектров энергичных заряженных частиц на фронтах межпланетных ударных волн (рис. 1.22).

В Институте солнечно-земной физики с помощью радара некогерентного рассеяния экспериментально обнаружены уникальные для среднеширотной ионосферы явления во время геомагнитных сверхбурь (25.09.98, 15.07.00), вызванных сильными вспышками на Солнце, в том числе двухпотоковая неустойчивость плазмы и возникновение мощного когерентного эха обратного рассеяния радиоволн (радиоаврора), которые обычно наблюдаются лишь в высоких широтах (рис. 1.23).

Учеными того же Института модернизирован ряд систем уникального Сибирского солнечного радиотелескопа (ССРТ), одного из трех радиогелиографов мира, что обеспечило получение изображений Солнца высокого качества с интервалом до одной минуты. Данные радиотелескопа позволили получить ряд новых фундаментальных результатов. В частности, обнаружено, что геоэффективные солнечные вспышки могут происходить в замкнутой магнитной конфигурации при взаимодействии корональных петель. Сравнение результатов исследования на разных частотах позволило определить, что корональный выброс связан с взаимодействием двух корональных петель (рис. 1.24).

В Институте оптики атмосферы завершено создание многоуровневой системы глобального контроля высотной стратификации оптико-физических параметров атмосферы, основанной на использовании дистанционных средств зондирования наземного, морского, самолетного и космического базирования (рис. 1.25). Система прошла успешную апробацию и пpодемонстpиpовала высокую эффективность в совместных комплексных подспутниковых экспериментах: на станции высотного зондирования с космическим лидаром "LITE-Shattle", с морским комплексом аппаратуры в экспедиции на НИС "Академик М. Келдыш", в комплексном самолетном эксперименте по исследованию влияния источников загрязнений на качество атмосферного воздуха по акватории оз. Байкал. В частности, этим и другими методами детально изучена тонкая структура пространственно-временного распространения ветровых потоков и аэрозольных примесей в атмосфере над оз. Байкал.

В оглавление

Далее