Гранулярные материалы и наносистемыНИР

Granulation

Источник финансирования НИР

госбюджет, раздел 0110 (для тем по госзаданию)

Этапы НИР

# Сроки Название
1 1 января 2015 г.-31 декабря 2015 г. Гранулярные материалы и наносистемы
Результаты этапа:
2 1 января 2016 г.-31 декабря 2016 г. Гранулярные материалы и наносистемы
Результаты этапа:
3 1 января 2017 г.-31 декабря 2017 г. Гранулярные материалы и наносистемы
Результаты этапа:
4 1 января 2018 г.-31 декабря 2018 г. Гранулярные материалы и наносистемы
Результаты этапа:
5 1 января 2019 г.-31 декабря 2019 г. Гранулярные материалы и наносистемы
Результаты этапа: 1. Опубликована статья в журнале Physical Review E, в которой проведено последовательное вычисление вероятности того, что дробная броуновская траектория с произвольной фиксированной фрактальной размерностью посетит заданную точку некоторое фиксированное число раз. Показано, что, за исключением случая обычного броуновского движения, вероятность многократного посещения не фактаризуется в произведение вероятностей петель. Полученные результаты могут быть использованы как основа для интерпретации экспериментальных данных по картам многочастичных контактов в хромосомах. 2. Предложена и исследована простая модель геометрического отбора при росте кристаллов-иголок с линейного и плоского субстрата. В приближении бесконечно тонких иголок, начинающих расти одновременно и с постоянной, но случайно направленной скоростью из различных точек субстрата исследовано поведение концентрации «выживших» кристаллов и их углового распределения на больших временах. Исследованы случаи, когда зародыши иголок расположены равномерно на бесконечной прямой, бесконечной плоскости, полупрямой и на отрезке. Полученные результаты опубликованы в статье в журнале Journal of Statistical Mechanics. 3. Исследован вопрос о флуктуациях броуновской экскурсии, на которую наложено дополнительное условие, в соответствии с которым она не может посещать некоторую область над осью координат (исследованы случаи, в которых эта область имеет полукруглую или треугольную форму). Установлено, что в режиме «сильно натянутых» траекторий флуктуации над вершиной треугольной области оказываются не зависящими от длины траектории, а флуктуации над верхушкой полукруглой запрещенной области принадлежат к классу универсальности уравнения Кардара-Паризи-Жанга, т.е. растут пропорционально длине траектории в степени 1/3 и распределены в соответствии с сильно асимметричным распределением Трейси-Видома. Построена скейлинговая теория, объясняющая это явление. Соответствующие результаты опубликованы в журнале Physical Review E. 4. Написан и опубликован в журнале Crystals (Q2) обзор Ferroelectric Liquid Crystals: Physics and Applications, освещающий современное состояние проблемы и ее перспективы. 5. В журнале Phys. Rev. A (Q1) опубликована статья Dynamics of destructive Fano resonances, в которой показано, что в окрестности частот деструктивных резонансов Фано резкое изменение амплитуды падающего импульса (как увеличение, так и уменьшение) приводит к возникновению интенсивных, вспышек рассеянного излучения, сопровождающихся качественными изменениями индикатрисы рассеяния. Дано качественное объяснение этого явления. 6. В журнале Optics Express (Q1) опубликована статья Anapole: Its birth, life, and death. В статье показано, что широко обсуждаемое в литературе неизлучающее электромагнитное возбуждение (анаполь), возникающее при деструктивных резонансах Фано при рассеянии света наночастицами, является типичной темной модой, которая может существовать только на фоне поддерживающего его падающего излучения. Путем прямого численного интегрирования полной системы нестационарных уравнений Максвелла, осуществленной с помощью оригинального компьютерного кода, разработанного авторами, изучена динамика возбуждения и распада анаполя. Предложена простая, точно интегрируемая модель, которая с высокой точностью описывает эту динамику. 7. В журнале Phys. Rev. A (Q1) опубликована статья Generic singularities of scattering coefficients and a paradox of resonant wave scattering, в которой показано, что в задаче о резонансном рассеянии света цилиндром малого радиуса при стремлении этого радиуса к нулю в коэффициентах рассеяния всех порядков возникает существенно особая точка, так что все парциальные сечения рассеяния не имеют в этой точке никакого определенного значения. Показано, что для разрешения этой неопределенности следует учесть немонохроматичность падающего излучения и осуществить правильную последовательность предельных переходов. 8. Сделана серия пленарных и приглашенных докладов на нескольких международных конференциях, в которых освещены описанные выше результаты. 9. Аспирант лаборатории Кирилл Евгеньевич Половников успешно защитил диссертацию на соискание ученой степени кандидата наук.
6 1 января 2020 г.-31 декабря 2020 г. Гранулярные материалы и наносистемы
Результаты этапа: 1. Показано, что прямое обобщение принятого для двумерного случая механизма перечисления решеточных животных (так называемого «упорядочения Микадо») не работает для трехмерного случая. Найдена связь между производящими функциями числа состояний в двумерном и трехмерном случае. Дана оценка для скорости роста (предела отношения логарифма числа животных к числу составляющих элементов). Полученные результаты опубликованы в виде двух препринтов. 2. Показано, что определяющую роль в решении сложных тестов Медника играют слабые ассоциации, что дает возможность связать понятие креативности с количественными характеристиками индивидуальных сетей свободных ассоциаций. По эти материалам подготовлена и направлена в печать статья. Аналогичная работа ведется и в части анализа графа свободных ассоциаций русского языка. 3. Предложено обобщение теории случайных геометрических графов на гиперболической плоскости на случаи (а) дискретного пространства и (б) направленных графов. По этим результатам сделано несколько докладов на научных конференциях, статьи готовятся к печати. 4. По результатам моделирования в рамках модифицированной модели SEIR предложен ряд мер ограничения распространения эпидемии коронавируса. Результаты представлены в виде ряда публикаций в нескольких общественно-политических изданиях, а также в виде статьи в журнале Фармакоэкономика. Также по результатам моделирования сделан ряд научных докладов, в том числе – на рабочей группе Президиума РАН. 5. Построена флуктуационная теория, описывающая поверхностное натяжение жидкости в окрестности критической точки. Теория выражает зависимость поверхностного натяжения жидкости от ее макроскопических термодинамических характеристик (давление, температура) через микроскопический потенциал взаимодействия молекул друг с другом. Сопоставление полученных аналитических выражений с результатами численного моделирования, проведенное для потенциала Леннарда-Джонса, демонстрирует их высокую точность. 6. На основе метода нормальных мод, примененного к системе связанных осцилляторов, была разработана новая универсальная точно интегрируемая модель, описывающая нестационарные резонансные явления в широком круге физических явлений. Существенным отличием этой модели от существующих подходов является малое число параметров, каждый из которых однозначна определяется исходя из структуры спектра нестационарной задачи. Этот подход является оригинальным и ранее для исследования аналогичных явлений не применялся. 7. Разработанный общий подход был применен к исследованию нестационарного резонансного рассеяния плоской линейно поляризованной волны цилиндром. Подающий импульс имел прямоугольную форму огибающей и монохроматическое ее заполнение. Ранее эта задача излучался нами путем прямого численного интегрирования полной системы уравнений Максвелла Phys. Rev. A, 100, 053824 (2019)]. В этой работе было показано, что в окрестности резонансов Фано на нестационарной стадии процесса рассеяния (за передним и задними фронтами падающего импульса) в рассеянном излучении наблюдаются мощные узкие пики, интенсивность которых значительно превышает интенсивность стационарного рассеяния. Применение развитой нами универсальной модели позволило получить явные аналитические выражения, с высокой точностью воспроизводящие результаты численного счета. Но главное преимущество предложенной модели состоит в том, что анализ аналитического выражения позволил связать эти вспышки излучения с возбуждением конкретных резонансных мод и полностью прояснить физику данного явления. Имеющую весьма общий характер. По результатам данной работы написана статья, см. прикрепленный к отчету файл DynamicResonances_PRL, которая сейчас проходит второй тур рецензирования в высокорейтинговом журнале Physical Review Letters. 8. Был разработан пакет программ, специально адаптированных для визуализации результатов численного счета, описывающих резонансное рассеяние (как стационарное, так и нестационарное) электромагнитного излучения субволновыми частицами. 9. Теоретически, численно и экспериментально доказано существование новых типов темных мод, названных нами гибридными анаполями или суперанаполями. В отличие от известных анаполей, связанных в обнулением излучения электрического диполя, гибридные анаполи характеризуются в стационарном режиме обнулением всех доминантных мод, включая магнитные. Это приводит к высокой степени локализации электромагнитного излучения внутри частицы и практически полной независимости возбуждений от свойств окружающей среды (подложки). Далее нами показано, что ни одно из этих свойств не сохраняется при нестационарном рассеянии сверхкоротких импульсов. Это позволило спроектировать негюйгенскую метаповерхность, состоящую из массива таких частиц на подложке, обладающую двойной функцональностью. Такая поверхность совершенно прозрачна для длинных импульсов. При пропускании же чрез нее сверхкоротких импульсов происходит сложная времннáя модуляция их огибающей. Существенно, что такой модуляцией можно управлять, меняя параметры задачи. Эти исследования создают базу для проектирования принципиально новых многофункциональных устройств интегральной оптики. Соответствующая статья отправлена в Nature Communications 10. Написана большая обзорная статья «Резонансное рассеяние электромагнитных волн малыми металлическими частицами --- новый взгляд на старую проблему». Статья направлена в журнал «Успехи физических наук» и получила положительную рецензию. В настоящий момент авторы работают над замечаниями рецензента.
7 1 января 2021 г.-31 декабря 2021 г. Гранулярные материалы и наносистемы
Результаты этапа: 1. Разработан теоретический подход к интерпретации динамических корреляционных функций мультифрактально упакованных полимеров. 2. Описан методами теории и компьютерного моделирования дискретных случайных графов типа «дерево с пересоединенными вершинами», как для случая направленных, так и ненаправленных графов. 3.Разработан алгоритм случайных блужданий с поверхностным и объемным подкреплением методами глубокого машинного обучения. 5. Разработаны методы аналитического и численного исследования структуры ближнего поля при резонансном рассеянии света субволновыми частицами. 6. Получение зависимости динамики изменения топологической структуры поля от параметров задачи. 7. Построена модель атомной силовой спектроскопии сверхвысокого разрешения. 8. Исследованы процессы возникновения регулярных орбит через стабилизацию возмущенных гамильтоновых систем. 9. Выработан новый механизм стабилизации хаотической динамики в неавтономных системах.
8 1 января 2022 г.-31 декабря 2022 г. Гранулярные материалы и наносистемы
Результаты этапа: Решена задача о падении квантовой частицы на центр сингулярного потенциала. Получено семейство точных решений нестационарного уравнение Шредингера, описывающего динамику соответствующего волнового пакета. Выведено и проанализировано уравнение непрерывности, справедливое в этом случае. Получены правила вычисления средних значений операторов, которые для этой задачи отличаются от традиционных. Проанализировано современное состояние проблемы резонансного рассеяния света субволновыми частицами. По материалам этого анализа опубликована обзорная статья в журнале Успехи физических наук. Изучены и классифицированы сингулярности поля вектора Пойнтинга и их связь с топологией полей Е и Н, а также с симметрией задачи и размерностью пространства. Получены общих закономерностей, описывающих структуру поля в окрестности различных сингулярных точек. По материалам этого исследования опубликованы две статьи в высокорейтинговом журнале (первый квартиль) Nanomaterials. Написан и оттестирован оригинальный пакет компьютерных программ для численного решения полной системы нестационарных уравнений Максвелла и визуализации полученных результатов. Проведено исследование оптических характеристик метаповерхностей из гибридных анаполей (ГА) на различных подложках, а также их аналогов из традиционных анаполей. Проведено сопоставление одних с другими и выявлены существенные преимущества ГА-метаповерхностей, заключающиеся в существенно большей локализации поля в метаатомах, а также в нечувствительности оптических характеристик к материалу подложки и разупорядочению метаатомов. Теоретически и экспериментально продемонстрирована возможность существенного увеличения разрешения атомно-силовой микроскопии вплоть до атомарного при проведении измерений при атмосферном давлении, и при повышенных температурах. Результаты исследования опубликованы в журнале Physical Review Research.
9 1 января 2023 г.-31 декабря 2023 г. Гранулярные материалы и наносистемы
Результаты этапа: За отчетный период в рамах данной НИР были получены следующие основные результаты: 1. В настоящее время резонансное рассеяние света наночастицами фактически является единственным механизмом формирования сложных конфигураций электромагнитного поля с масштабом значительно меньшем его длины волны. Существенную роль в описании топологической структуры такого поля играют тип и положение его сингулярных точек. Ранее в рамках данного НИР нами было исследовано влияние симметрии задачи, закона сохранения энергии и размерности пространства на свойства таких сингулярностей. В текущем году эти исследования были продолжены в части, касающейся эффектов контролируемого нарушения симметрии, а также его влияния на рождение и аннигиляцию различных сингулярностей. Была построена общая феноменологическая теория таких явлений. В качестве примера она была применена для объяснения бифуркаций рождения и аннигиляции сингулярностей в точно решаемой задаче о рассеянии плоской линейно поляризованной электромагнитной волны бесконечным круговым цилиндром. В качестве контрольных параметров, управляющих бифуркациями, использовались либо радиус сечения цилиндра при чистой ТЕ или ТМ поляризациях падающего излучения, либо угол между плоскостью поляризации и осью цилиндра. Для упрощения задачи волновой вектор падающей волны во всех случаях считался перпендикулярным оси цилиндра. Были построены бифуркационные диаграммы. Сравнение результатов точного решения с развитой феноменологической теорией показало ее высокую эффективность. Результаты этого исследования были опубликованы в высокорейтинговом журнале Laser Photonics Rev. 2300512 (2023). Журнал входит в первый квартиль и имеет импакт фактор 10.947. 2. Был написан миниобзор по сингулярностям поля вектора Пойнтинга при резонансом рассеянии света. Миниобзор был опубликован в самом престижном российском общефизическом журнале Письма в ЖЭТФ том 118, вып. 6, с. 417 – 429 (2023). 3. Были продолжены экспериментальные исследования метаповерхностей. С этой целью было изготовлено большое количество различных образцов для реализации гибридно-анапольных и традиционно анапольных состояний, проведено исследование их оптических характеристик как при облучении длинными лазерными импульсами, так и для фемтосекундных импульсов. Было проведено сравнение этих характеристик для указанных двух типов поверхностей. Для фемтосекундных импульсов была продемонстрирована возможность динамического управления фазой как отраженного, так и прошедшего сигнала. Это явление создает основу для изготовления плоских динамических голограмм и других многофункциональных элементов плоской оптики. Полученные предварительные результаты хорошо согласуются с нашими теоретическими предсказаниями. 4. Была существенно расширена интерпретация полученного ранее в рамках данной НИР семейства точных решений, описывающее задачу о падении квантовой частицы на центр сингулярного потенциала (квантовый коллапс). Поскольку в этой задаче гамильтониан является несамосопряженным, а волновые функции имеют в начале координат особенность типа cos(ln r), т.е. неопределенны в точке r = 0, то применение стандартных алгоритмов квантовой механики становиться невозможным. Было показано, что эти алгоритмы допускают обобщения, каковые и были сформулированы. В результате удалось показать, что задача не является внутренне противоречивой. Полученные результаты могут быть применены в широком классе задач неэрмитовой оптики. Результаты данного исследование были опубликованы в одном из старейших и престижных научных журналов Proceedings of the Royal Society A., vol. 479, 20230366 (2023), входящим в первый квартиль. 4. Визуализация атомной структуры поверхности является важным инструментом для понимания явлений, связанных с поверхностями: как в физике конденсированных сред, так и в области нанотехнологий. До сих пор визуализация атомной структуры поверхностей была в значительной степени ограничена либо сканирующей туннельной микроскопией проводящего вещества, либо атомно-силовой микроскопией (АСМ) в жидких и вакуумных средах. Нами теоретически и экспериментально было показано, что обычная АСМ в полуконтактном режиме с собственными модами кантилевера и субнанометровыми амплитудами колебаний позволяет получать в газовых средах при атмосферном давлении и повышенных температурах разрешение вплоть до атомарного. Эти результаты существенно расширяют возможности традиционной атомно-силовой микроскопии. В частности, нами была предложена модифицированная бимодальная АСМ-визуализация, способная отображать вязкоупругие свойства поверхностей с субнанометровым латеральным разрешением. Для картирования топографии поверхности мы используем высокую собственную моду, возбуждаемую с субнанометровыми амплитудами. Мы демонстрируем, что взаимодействие собственных мод с поверхностями может обеспечить латеральное разрешение лучше нанометра. Это позволяет моделировать упругие и диссипативные взаимодействия между зондом и поверхностью с субнанометровым разрешением. Конкретно, нами была достигнута визуализация одиночных вакансий серы на поверхности кристаллов MoS2 при температурах от комнатной до 250°C, а также ионов калия на гидрофильных и высокоадгезивных поверхностях слюды-мусковита. Более того, высокая стабильность изображения позволяет выбивать атомы с поверхности MoS2 путем жесткого постукивания, что указывает на потенциал механического воздействия на поверхности со сверхвысоким разрешением. По результатам данного исследования готовится статья для публикации в высокорейтинговом журнале.
10 1 января 2024 г.-31 декабря 2024 г. Гранулярные материалы и наносистемы
Результаты этапа: 1. Руководителем проекта М.И. Трибельским в соавторстве с проф. ка- федры нанофотоники Б.С. Лукьянчуком для юбилейного выпуска ”Вестни- ка Московского университета” посвященного 270-летию МГУ написан боль- шая обзорная статья (на русском и английском языках) ”Структуры и син- гулярности в оптике: от каустик к субволновым масштабам”. В статье да- ется обзор современного состояния проблемы сингулярностей электромаг- нитного поля, возникающих при преломлении и рассеянии света матери- альными объектами. Обсуждение начинается с каустик, возникающих при трассировке лучей в геометрической оптике, и последовательно движет- ся в сторону увеличения точности рассмотрения и уменьшения масштабов, заканчиваясь описанием сингулярностей при рассеянии света субволновы- ми частицами. Выявляются общие и отличительные черты различного ти- па сингулярностей, роль симметрии задачи и закона сохранения энергии. Обсуждаются физические основы и способы преодоления дифракционно- го предела. Теоретическое описание иллюстрируется экспериментальными примерами. Указываются различные практические применения рассматри- ваемых эффектов. Статья принята в печать. 2. Им же от главного редактора международного журнала Applied Physics Reviews (Five-Year Impact Factor 16.5) ими получено предложения написать обзор современных результатов, полученных в этой области, работа над ко- торым началась. Рукопись обзора предполагается закончить в первом квар- тале 2025 г. 3. В настоящее время теоретическое исследование резонансного рассе- яния света частицами простой формы (сфера, бесконечный круговой ци- линдр), как правило, осуществляется на основе мультипольного разложе- ния Ми. При этом в силу ортогональности различных мультиполей вклад каждого из них в поле рассеянного излучения независим. Ситуация каче- ственно меняется при рассеянии света частицами с гофрированной поверх- ностью. В этом случае за счет граничных условий на поверхности частицы происходит зацепление различных мод, что должно приводить к возникно- вению новых резонансов и, в частности, к зацеплению резонансных мод Ми с модами шепчущей галереи. В рамках данного проекта предполагается разработать теорию возмуще- ний традиционного разложения Ми по форме границы рассеивающей ча- стицы, получить соответствующие дисперсионные соотношения и исследо- вать новые типы резонансов, возникающих в такой задаче. Работа в этом направлении уже начата. Выведены основные уравнения и получены явные выражения для коэффициентов рассеяния. Исследование предполагается продолжить в 2025 г. 4. Совместно с зарубежными коллегами из Humboldt-Universität zu Berlin, Germany; Institute of Physics, Chinese Academy of Sciences; University of Shanghai for Science and Technology, China, с которыми у участников проекта имеются прочные многолетние связи, разработан новый метод инвертиро- ванной бимодальной атомной силовой микроскопии (i-БАСМ) по получению изображений кристаллов с атомарным разрешением в жидких и вакуум- ных средах. В работе на основе предложенного метода экспериментально и теоретически исследованы вопросы диссипации на различных образцах на нано-масштабах. На основании данных полученных в ходе i-БАСМ экспе- риментов, построена теория, успешно описывающая и объясняющая экспе- риментально наблюдаемые процессы диссипации в исследуемых системах. По результатам исследования подготовлена и статья, которая направлена в высокорейтинговый журнал Nano Letters (Impact Factor 10.8). В настоящее время статья прошла предварительный отбор и находится на рецензирова- нии. Помимо этого, по результатам проделанной работы сделано шесть пле- нарных и keynote докладов на престижных международных конференциях. Также, в течение отчетного года руководитель проекта проф. М.И. Трибель- ский участвовал в работе семи программных и организационных комитетов международных конференций по тематике проекта.
11 1 января 2025 г.-31 декабря 2025 г. Гранулярные материалы и наносистемы
Результаты этапа:

Прикрепленные к НИР результаты

Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".