Важнейшие научные результаты Института спектроскопии РАН

Важнейшие результаты 2014 года

Отдел молекулярной спектроскопии. Лаборатория электронных спектров молекул.

• Развит новый метод оптической флуоресцентной микроскопии со сверхвысоким пространственным разрешением в аксиальном направлении, достигнуто разрешение несколько нанометров. Метод основан на управляемом введении флуоресцентных молекул-зондов в приповерхностные нанослои изучаемых сред на заданную глубину и в нанопленки с помощью контролируемой диффузии.
  С применением метода обнаружено существование в полимерах приповерхностного слоя толщиной около 20 нм, внутренняя динамика которого отличается от соответствующей динамики в толще образца.

  

  Заведующий лабораторией электронных спектров молекул Вайнер Юрий Григорьевич.

  Публикации:
  • Ya.I. Sobolev, A.V. Naumov, Yu.G. Vainer, L. Kador, “Low temperature spectral dynamics of single molecules in ultrathin polymer films“, J.Chem.Phys., vol.140, p.204907 (2014) (д.ф.-м.н. Вайнер Ю.Г., м.н.с. Соболев Я.И.)

Отдел молекулярной спектроскопии.

• Впервые в мире осуществлены эксперименты по трехмерной криогенной оптической спектромикроскопии с субдифракционным пространственным разрешением, основанной на регистрации флуоресцентных изображений, бесфононных спектральных линий и спектральной динамики одиночных молекул, внедренных в качестве нанозондов в исследуемый материал (молекулярный кристалл). Нанометровая точность реконструкции всех трех координат точечного излучателя достигается путем инструментальной модификации аппаратной функции точечного источника света по биспиральной схеме (double helix point spread function, DHPSF [W.E.Moerner et al. PNAS 2009]) с использованием элементов адаптивной оптики. Раздельное возбуждение и детектирование флуоресцентного свечения одиночных молекул достигается путем перестройки частоты узкополосного лазера в резонанс с частотами электронных переходов отдельных молекул. Техника может быть использована для гиперспектральной многоцветовой нанодиагностики структуры и динамики твердых материалов и наноструктур благодаря ультравысокой чувствительности спектральных зондов к параметрам локального окружения.

  

  Полученный результат позволяет расширить возможности отмеченных Нобелевской премией по химии 2014 г. методов флуоресцентной микроскопии сверхвысокого разрешения для решения задач материаловедения и нанотехнологий.
  Работа опубликована в приглашенной статье-коллоквиуме 2014 года в международном журнале European Physical Journal D:
  • A.V. Naumov, I.Y. Eremchev, A.A. Gorshelev, "Laser Selective Spectromicroscopy of Myriad Single Molecules: Tool for Far-Field Multicolor Materials Nanodiagnostics" // European Physical Journal D, v.68, iss.11, pp.348-369 (2014). [DOI: 10.1140/epjd/e2014-50414-x].

    Отдел молекулярной спектроскопии ИСАН, д.ф.-м.н. Наумов А.В., к.ф.-м.н. Еремчев И.Ю., к.ф.-м.н. Горшелев А.А., м.н.с. Соболев Я.И., м.н.с. Орлов С.В.

Отдел лазерной спектроскопии. Лаборатория лазерной спектроскопии.

• В отличие от обычно реализуемого в оптике принципа взаимности при прохождении света через различные системы, в Институте спектроскопии экспериментально продемонстрирована гигантская оптическая невзаимность прохождения света через планарную мета-поверхность, состоящую из наноструктурированной металлической наноплёнки, нанесенной на поверхность планарного диэлектрического материала. Гигантская невзаимность обусловлена двумя факторами: (1) возбуждением оптического таммовского состояния в планарной системе; (2) невзаимностью коэффициента поглощения рассмотренной системы без нано структур. Нарушение принципа взаимности возможно использовать для многих практических применений. Полученные результаты представляют большой интерес для создания устройств нанофотоники, таких как оптический нанодиод.

  

  Публикации:
  • V.V. Klimov, I.V. Treshin, A.S. Shalin, A.A> Kuzin, A.V. Zablotskiy, P.N. Melentiev, A.E. Afanasiev, and V.I. Balykin, «Giant reciprocity violation of the light transmission through metasurfaces», послана в печеть в журнал «Nano Letters»
    Заведующий лабораторией  Балыкин Виктор Иванович

Отдел лазерной спектроскопии. Лаборатория спектроскопии возбужденных состояний молекул.

• Впервые измерена сверхбыстрая динамика диссоциации наноразмерных кластеров в результате возбуждения входящих в них молекул резонансным фемтосекундным ИК излучением. Эксперименты проведены с кластерами [Fe(CO)₅]_n (n ~ 250 – размер кластеров). ИК импульс (~ 5 мкм) возбуждал колебания связи С≡О, УФ импульс детектировал вылетающие свободные молекулы Fe(CO)₅ (см. рис.). Измерена кинетика образования молекул Fe(CO)₅ при разных условиях ИК лазерного возбуждения. Предложена модель, хорошо описывающая результаты эксперимента и позволившая определить профиль изменения температуры кластеров. Оценены скорости внутримолекулярной и внутрикластерной  релаксации колебательной энергии (IVR) в [Fe(CO)₅]_n кластерах. Полученные данные важны для понимания внутренних процессов в кластерах.

  

  Публикация:
  • D.G. Poydashev, V.N. Lokhman, V.O. Kompanets, S.V. Chekalin, E.A. Ryabov. “Ultrafast Dissociation Dynamics of [Fe(CO)₅]_n Clusters Induced by Femtosecond IR Radiation” J. Physical Chemistry, DOI: 10.1021/jp510130x (2014)

  Отдел лазерной спектроскопии, лаборатория спектроскопии возбужденных состояний молекул, зав.лаб. д.ф.-м.н. Е.А.Рябов, лаборатория спектроскопии ультрабыстрых процессов, зав.лаб. д.ф.-м.н. С.В. Чекалин

Отдел лазерной спектроскопии. Лаборатория спектроскопии возбужденных состояний молекул

• Методами фемтосекундной лазерной спектроскопии впервые исследована динамика наведенного поглощения изолированных триммеров фотосистемы 1 Arthrospira platensis, возбуждаемых импульсами длительностью 70 фс на длине волны 620 нм при 77 К. Обнаружено, что между двумя формами триммеров с соответствующими максимумами поглощения на 710 и 730 нм нет передачи возбуждения и обе они заселяются за счет прямой передачи возбуждения от хлорофилла  Полученный результат важен для понимания первичных процессов фотосинтеза в зеленых растениях и, в конечном счете, для создания высокоэффективных преобразователей солнечной энергии.

  

  Публикация:
  • V. Kompanets, V. Shubin, I. Terekhova, E. Kotova, V. Kozlovsky, V. Novoderezhkin, S. Chekalin, N. Karapetyan, A. Razjivin «Red chlorophyll excitation dynamics in Arthrospira platensis photosystem I trimeric complexes as studied by femtosecond transient absorption Spectroscopy», FEBS Letters 588, 3441–3444 (2014)

  Зав. лаб. д.ф.-м.н. С.В.Чекалин, с.н.с. к.ф.-м.н. В.О.Компанец, совместно с Институтом биохимии РАН им. А.Н.Баха и Институтом физико-химической биологии им. Белозерского МГУ).

Теоретический отдел.

• Предсказано существование новых типов фундаментальных, мультипольных и вихревых солитонов в конденсатах Бозе-Эйнштейна со спин-орбитальным взаимодействием, удерживаемых в зеемановском периодическом потенциале. Приведена классификация возможных солитонных состояний в данной системе и показано, что все вышеупомянутые решения могут быть устойчивы.

  Публикация:
  • V. E. Lobanov, Y. V. Kartashov, V. V. Konotop, "Fundamental, multipole, and half-vortex gap solitons in spin-orbit coupled Bose-Einstein condensates," Physical Review Letters, vol. 112, n. 18, paper 180403 (2014). (Я. В. Карташов)
• Вычислены скорость медленного распада метастабильного возбуждения системы двух пространственно разделенных кубитов (резонансных двухуровневых атомов, квантовых точек и т.п.), взаимодействующих с модами одномерного волновода, а также вероятность попадания дважды возбужденной системы в метастабильное состояние. Знание этих параметров существенно для возможных применений метастабильных состояний для так наз. "квантовой памяти". (Е.С. Редченко и В.И. Юдсон)

Важнейшие результаты 2012 года

Отдел атомной спектроскопии

• Исследован новый тип оловянных мишеней для получения ЭУФ излучения на длине волны 13.5 нм – распределенных мишеней, получаемых при дроблении одиночной капли жидкого олова с помощью лазерного импульса. Использование таких мишеней позволяет повысить эффективность преобразования излучения СО2 лазера в ЭУФ излучение с 2 % (одиночная капля) до 3-4 % (распределенная мишень). С помощью численного моделирования (код RZLINE) излучающей плазмы выполнена оптимизация параметров распределенных мишеней по отношению к параметрам импульса СО2 лазера (к.ф.-м.н. К.Н.Кошелев, В.В.Иванов).
• Предложен и исследован дизайн многослойного брегговского зеркала на длину волны 13.5 нм, практически полностью подавляющего отражение инфракрасного излучения с длиной волны 10.6 мкм. Создание такого зеркала открывает возможность использовать в нанолитографии нового поколения источники ЭУФ излучения на основе плазмы возбуждаемой излучением СО2 лазера (к.ф.-м.н. К.Н.Кошелев В.М.Кривцун, В.В.Медведев совместно с FOM, DIFFER, Нидерланды).

Отдел молекулярной спектроскопии

• Развита методика экспериментального наблюдения низкотемпературной динамики сверхтонких (толщиной 5-100 нм) полимерных пленок, в свободном состоянии и на подложке. Методика основана на детектировании временных историй оптических спектров одиночных хромофорных молекул, вводимых в изучаемые пленки в качестве спектрального нанозонда. Показано, что в пленках из аморфного полиизобутилена, легированных молекулами тетра-трет-бутилтеррилена, толщиной меньше 100 нм, наблюдаемая спектральная динамика примесных молекул сильно отличается от динамики в толстых пленках из того же материала. Изменения проявлялись в виде резкого возрастания ширин бесфононных линий и появления хаотических, невоспроизводимых дрейфов и прыжков спектров. Обнаруженные отклонения демонстрируют возрастание роли поверхностных состояний в наблюдаемой динамике сверхтонких пленок. В частности, резкий рост ширин бесфононных линий указывает на сильное возрастание в области поверхности изучаемых пленок плотности колебательных состояний, а хаотические прыжки и дрейф частот спектральных линий - о значительном уменьшении высоты потенциальных барьеров в этой области (Лаборатория электронных спектров молекул совместно с Университетом г. Байройта, Германия; зав. лаб. проф. Ю.Г.Вайнер).
• Разработана и реализована в эксперименте оригинальная техника спектрального анализа мерцающей (флуктуирующей) флуоресценции и определения статистики фотонов излучения одиночных квантовых объектов, основанная на регистрации временного поведения спектров возбуждения флуоресценции (спектральных траекторий) одиночных излучателей. Проанализированы спектральные траектории одиночных молекул тетра-трет-бутилтеррилена в аморфном полиизобутилене, проявляющих мерцающую флуоресценцию в диапазоне температур 4-20 К. Анализ полученных статистических распределений с использованием разработанной для этой цели теории позволяет определить временные и энергетические параметры переходов изучаемых молекул в безызлучательные состояния. Новая техника позволила также разделить механизмы перехода излучающих молекул в «темное» состояние: термонаведенные конформационные изменения в локальном окружении молекул и светоиндуцированные переходы (д.ф.-м.н. А.В.Наумов, д.ф.-м.н. Ю.Г.Вайнер, д.ф.-м.н. И.С,Осадько, к.ф.-м.н. И.Ю.Еремчев, асп. С.В.Орлов совместно с Байройтским университетом, Германия).
• Разработана методика бесконтактного измерения параметров до- и сверхзвуковых газовых потоков, основанная на быстрой регистрации нестационарных спектров поглощения тестовой молекулы в газовой среде. В качестве зондирующего излучения используется перестраиваемый диодный лазер ближнего ИК-диапазона (1.39 мкм). Разработанная аппаратура и методика обработки нестационарных спектров успешно испытана на экспериментальном стенде в Объединенном Институте высоких температур РАН (Лаборатория аналитической спектроскопии, зав. лаб. М.А.Большов).
• Впервые измерен и идентифицирован микроволновый спектр орто-H₂–CO, слабосвязанного молекулярного комплекса, распространенного (хотя до сих пор не обнаруженного) в межзвездной среде. Идентификация спектра была выполнена на основе последних достижений в вычислительных методах ab-initio, включая расчет шестимерной поверхности потенциальной энергии взаимодействия H₂–CO методом связанных кластеров с учетом одно-, двух-, трех- и неитеративных четырехкратных возбуждений (CCSDT(Q)). Для большинства линий достигнуто совпадение между экспериментом и теорий лучше 0.01 см^–1 (д.ф.-м.н. Л.А.Сурин совместно с Университетами Кёльна (Германия), Делавэра (США), Торуня (Польша) и Оттавы (Канада).

Отдел спектроскопии твердого тела

• Впервые наблюдалась тонкая структура линий внутриконфигурационных f–f переходов в ионах лантаноидов, занимающих позицию кубической симметрии в кристалле. Показано, что дублеты и триплеты в спектре связаны с низко-симметричными компонентами кристаллического поля, вызванного случайными деформациями кристаллической решетки (д.ф.-м.н. М.Н.Попова, к.ф.-м.н. Д.С.Пыталев).
• Впервые получен спектр в терагерцовом диапазоне соединения из нового семейства мультиферроиков RFe₃(BO₃)₄, что позволило исследовать фазовые переходы и механизм спин-фононного взаимодействия в этом соединении (EuFe₃(BO₃)₄) (д.ф.-м.н. М.Н.Попова, к.ф.-м.н. К.Н.Болдырев, к.ф.-м.н. Т.Н.Станиславчук, к.ф.-м.н. С.А.Климин).

Отдел спектроскопии твердого тела совместно с отделом молекулярной спектроскопии

• Обнаружена и изучена корреляция между содержанием масляной кислоты – характерного компонента молочного жира, и вариацией поглощения в полосах обертонов СН и 2СН (1,2 и 1,44 мкм) в ближней инфракрасной области спектра, разработан метод обнаружения подделок молочного жира в жиро-масляных смесях, заявлен Патент РФ с приоритетом от 12.11.2012 «Спектрометрический экспресс-анализатор фальсификации молочного жира в жиро–масляных смесях» (к.ф.-м.н. А.В.Калинин, В.Н.Крашениников).

Отдел спектроскопии твердого тела совместно с отделом молекулярной спектроскопии и отделом атомной спектроскопии

• Создан новый метод многокомпонентного количественного анализа концентрированных органических дисперсий на основе спектрометрии ближнего инфракрасного диапазона. Метод реализован в новом специализированном портативном двухканальном спектрометре, предназначенном для контроля показателей качества и идентичности молока, и защищен патентом РФ (к.ф.-м.н. А.В.Калинин, В.Н.Крашенинников, к.ф.-м.н. В.М.Кривцун).

Отдел лазерной спектроскопии

• Уникальным свойством фемтосекундного лазерного излучения является его сжатие по длительности на временной шкале вплоть до одного светового периода. В то же время на пространственной шкале размер фемтосекундного лазерного излучения ограничен величиной порядка длины волны излучения из-за дифракционного ограничения. Нами предложен, исследован и реализован нанолокализованный фемтосекундный источник излучения на основе плазмонных наноструктур внутри микрорезонатора (д.ф.-м.н. В.И.Балыкин, к.ф.-м.н. П.Н.Мелентьев, А.Е.Афанасьев).
• Проведены исследования внутрикластерных реакций, индуцированных в результате возбуждения электронных состояний молекулярных кластеров фемтосекундным УФ излучением. Методами фемтосекундной техники “накачка-зондирование” впервые изучена кинетика распада кластеров. Измерено время образования свободных молекул при диссоциации кластеров (CF₃I)_n и (ICF₂COF)_n, которое составило 15 и 40 пс соответственно (к.ф.-м.н В.О.Компанец, с.н.с. В.Н.Лохман, асп. Д.Г.Пойдашев, д.ф-м.н. С.В.Чекалин, д.ф-м.н. Е.А.Рябов).
• Выполнены прямые исследования динамики внутримолекулярного перераспределения колебательной энергии (IVR) из первоначально возбуждаемого колебания ацетиленовой связи (мода ν₁) в молекуле H–C≡C–CF₃. Измерено характерное время IVR, которое составило t=2,3 нс, что является самым медленным из известных к настоящему времени. Предложен механизм такой «сверхмедленной» релаксации (к.ф-м.н. А.Л.Малиновский, д.ф-м.н. А.А.Макаров, д.ф-м.н. Е.А.Рябов).
• Зарегистрированы ИК световые пули с высокой локализацией энергии в пространстве и времени, сформированные при филаментации в 2-см плавленом кварце 70-фс импульса в области аномальной дисперсии (1800 нм). Минимальная длительность световой пули не превышала 11 фс, т.е. меньше двух световых периодов. Результаты численного моделирования для заданных параметров эксперимента согласуются с результатами измерений (к.ф.-м.н. В.О.Компанец, д.ф-м.н. С.В.Чекалин совместно с Физфаком МГУ).
• Впервые экспериментально зарегистрировано дифракционное деление 110-фс оптического импульса при Лауэ дифракции в одномерном фотонном кристалле из окисленного пористого кремния с толщиной слоя порядка длины волны излучения лазера (800 нм) и разностью показателей преломления соседних слоев Δn ~0.2 Анализ автокорреляционных функций излучения подтвердил линейную зависимость интервала между выходящими из фотонного кристалла импульсами от его толщины, в полном соответствии с теоретическими оценками (к.ф.-м.н. В.О.Компанец, д.ф-м.н. С.В.Чекалин совместно с Физфаком МГУ).

Отдел лазерно-спектрального приборостроения

• В интересах ракетно-космической и авиационной отрасли создан современный «Анализатор водорода в титановых сплавах» в составе: генератор конденсированной искры на современных электронных компонентах; мини-спектрометр для регистрации спектра водорода в диапазоне 550-680 нм; программное обеспечение и аналитическая методика измерения концентрации водорода с калибровкой по эталонам типа ОСО22 (ФГУП ВИАМ), проводятся сертификационные испытания прибора для введения его в Государственный реестр средств измерений (Сектор многоканальных систем регистрации ОЛСП, зав.сектором к.т.н. Э.Г.Силькис, с.н.с. В.Н.Крашенинников, вед.констр. А.С.Станкевич, ст.электроник Д.А.Александров совместно с ООО «Многоканальные оптические регистрирующие системы», Москва).
• Создан модернизированный вариант (СКД-2МУФ) портативного широкодиапазонного дихрометра биосенсорной аналитической системы биомедицинского назначения с расширенным рабочим диапазоном, повышенной надежностью, улучшенными эксплуатационными характеристиками и усовершенствованным программным обеспечением; выпущен комплект его конструкторской и эксплуатационной документации (Лаб. лазерно-спектрального приборостроения (ОЛСП), зав. лаб. д.ф.-м.н. О.Н.Компанец, с.н.с. В.М.Гусев, вед.констр. М.А.Павлов совместно с ООО «Лаборатория оптико-электронных приборов», Москва).
• Разработан способ измерения нелинейности функции преобразования с применением часового индикатора для датчика систем с угловым перемещением подвижного элемента, обеспечивающий возможность более технологичной калибровки по углу, и разработаны устройство на основе лазерного диода, плоскопараллельной пластины и дифференциального фотодиода, реализующее данный способ, и конструкторская документация для его изготовления (ОЛСП, с.н.с. Иг.Н.Нестерук, вед.констр. Ир.Н.Нестерук).

Теоретический отдел

• Построена теория статистики локализованных состояний в одномерной цепочке со случайными энергиями на различных узлах (модель Андерсона). Физической реализацией модели являются, например, одномерные квантовые нити, трехмерные сверхрешетки с планарным беспорядком (для электронов) или многослойные структуры со случайно модулированным коэффициентом преломления (для фотонов). Обнаружено, что статистика локализованных состояний резко меняется в окрестности так называемой “аномалии центра зоны”. Найденная асимптотика функции распределения сильно локализованных состояний демонстрирует удивительное поведение в точке аномалии: вероятность сильно локализованных состояний в точке аномалии оказывается экспоненциально больше, чем при значениях энергии вне узкой окрестности аномалии, что свидетельствует о том, что фундаментальное явление андерсоновской локализации гораздо сложнее и разнообразней, чем описывается однопараметрической теорией (д.ф.-м.н. В.И.Юдсон совместно с Международным Центром Теоретической Физики, Триест, Италия).
• Теоретически показано, что существенное увеличение резонансной нелинейности χ(3) может быть достигнуто в гибридной гетероструктуре, где полупроводниковая квантовая яма близко соседствует со слоем органических молекул, в которых энергия экситона Френкеля существенно больше ширины щели, разделяющей валентную зону и зону проводимости. Обнаружено, что резонансная накачка экситонов Френкеля и последующая их диффузия к полупроводниковой квантовой яме приводит в ней к интенсивной накачке электрон-дырочной плазмы и экситонов Ванье. Оценки показали, что использование пленок антрацена с толщиной 500 Å при комнатной температуре может привести к увеличению интенсивности нелинейных оптических процессов в десятки раз, что существенно, так как нелинейные свойства квантовых ям широко используются в различных приборах (д.ф.-м.н. В.М.Агранович).
• Впервые экспериментально наблюдался постепенный переход от одномерной андерсоновской локализации к двумерной. Постепенное изменение эффективной размерности системы достигнуто за счет увеличения числа рядов в полосовых массивах волноводов, что позволяет наблюдать локализацию как в одном ряду волноводов (эффективно одномерная система), так и в массиве, включающем лишь несколько рядов (система дробной размерности) или очень большое число рядов (эффективно двумерная система). Проведен статистический экспериментальный анализ выходных распределений интенсивности для одноканальных входных возбуждений и построены усредненные выходные распределения интенсивности. Измерение их ширин позволило продемонстрировать, что при одинаковом уровне беспорядка локализация в двумерной системе всегда оказывается слабее, чем в одномерной системе (д.ф.-м.н. Я.В.Карташов совместно с Университетом Ф.Шиллера, Йена, Германия).
• Показано, что инжекция неравновесной спиновой плотности в сверхпроводящие контакты приводит к сильному возрастанию тока через ферромагнитный джозефсоновский контакт. Незатухающий в ферромагнетике сверхпроводящий ток создаётся триплетными куперовскими парами, которые, в свою очередь, формируются в сверпроводниках благодаря инжекции спинов и обменному электрон-электронному взаимодействию. Направление джозефсоновского тока может быть изменено на противоположное путём изменения угла между инжектированной поляризацией и магнитным моментом ферромагнетика (д.ф.-м.н. А.Г.Мальшуков совместно с Норвежским униерситетом науки и технологии).

Лаборатория спектроскопии наноструктур

• Предсказан резонансно усиленный киральными экситонами эффект Фарадея в трехмерном (сильном) топологическом изоляторе в отсутствии магнитного поля. Рассмотрен случай, когда в спектре дираковских электронов на поверхности магнитными примесями открыта энергетическая щель. Внутри этой щели могут возбуждаться киральные экситоны, которые, в отличие от обычных экситонов, дают резонансный вклад в недиагональную оптическую проводимость. Это приводит к увеличению угла фарадеевского вращении, к уменьшению угла керровского вращения и к увеличению эллиптичности отраженной волны (к.ф.-м.н. Ю.Е.Лозовик)

Важнейшие результаты 2011 года

Отдел молекулярной спектроскопии

• Развита новая методика измерения спектров поглощения сложных примесных молекулярных систем (стекол, полимеров, молекулярных поликристаллов и др.), основанная на детектировании и статистическом анализе индивидуальных спектров возбуждения флуоресценции, соответствующих чисто-электронным переходам примесных молекул. Новая методика дает более корректные данные и бóльший объем информации о реальном спектре поглощения образцов со сложной внутренней структурой. На примере исследованных систем n гексадекан и орто-дихлорбензол, допированных молекулами террилена и тетра-терт-бутилтеррилена, показано, что полученные таким образом спектры не подвержены искажениям, вызываемым вкладом в измеряемый спектр фононных крыльев, и позволяют корректно учитывать пространственную и спектральную неоднородность образца (д.ф.-м.н. Ю.Г.Вайнер, к.ф.-м.н. А.А.Горшелев, д.ф.-м.н. А.В.Наумов совместно с Байройтским университетом, Германия).
• На внутрирезонаторном спектрометре на базе оротрона с молекулярной струей впервые измерен спектр комплекса HD–CO, важного для исследования малых кластеров (HD)N–CO. Исследование этих комплексов дает существенную информацию о возможных проявлениях водородной сверхтекучести. Измерены вращательные спектры слабосвязанных комплексов CH₄-СО, NH₃-СО, NH₃-CO, N₂-CO, состоящих из молекул, представляющих интерес для физики планетарных атмосфер и межзвездной среды (д.ф.-м.н. Л.А.Сурин, к.ф.-м.н. А.В.Потапов совместно с Кёльнским университетом, Германия).

Отдел спектроскопии твердого тела

• Обнаруженные различия в тонкой структуре спектров поглощения нелинейных лазерных кристаллов Y_1-xYb_xAl₃(BO₃)₄, выращенных по различным раствор-расплавным технологиям, соотнесены с изменениями содержания примесей, в частности, примеси молибдена, являющейся основным мешающим фактором при получении генерации в УФ области спектра. Метод может быть использован для экспресс-анализа качества кристаллов и для совершенствования раствор-расплавных технологий выращивания лазерных кристаллов и кристаллов для генерации четвертой гармоники Nd-YAG лазера (д.ф.-м.н. М.Н.Попова).
• Обнаружена и исследована сверхтонкая структура в спектрах иона Ho³⁺ в кристалле KY₃F₁₀, перспективном для построения трехуровневой Λ-схемы на сверхтонких уровнях редкоземельного иона, предлагаемых для использования в качестве кубита для хранения квантовой информации (д.ф.-м.н. М.Н.Попова).

Отдел лазерной спектроскопии

• Экспериментально продемонстрировано экстремально высокое пропускание света через единичное наноотверстие диаметром D=60 нм, противоречащее известному закону затухания ~D^-4. Наноотверстия изготовлены в плёнке золота, являющейся частью фотонного кристалла, формирующего высокодобротный микрорезонатор. Продемонстрировано 28-кратное увеличение пропускания света через наноотверстие внутри микрорезонатора по сравнению с наноотверстием в золотой плёнке. Обнаружена высокая спектральная селективность пропускания света через наноотверстие, которая характеризуется двумя особенностями: (1) максимум пропускания расположен на длине волны резонанса микрорезонатора и (2) ширина пика на полувысоте составляет около l/90 (к.ф.-м.н. П.Н.Мелентьев, к.ф.-м.н. А.Е.Афанасьев, А.А.Кузин, А.В.Заблоцкий, А.С.Батурин и д.ф.-м.н. В.И.Балыкин).
• Выполнены исследования многофотонного возбуждения и внутрикластерных реакций, инициируемых в наноразмерных молекулярных кластерах лазерным излучением нано- и фемтосекундной длительности. Для кластеров (CF₃I)_n показано, что под действием интенсивного УФ излучения имеет место многофотонная ионизация этих частиц, причем состав и соотношение ионных продуктов существенно отличается при нано- и фемтосекундном облучении. Обнаружено существование внутрикластерных реакций, инициируемых УФ излучением, в результате которых в кластерах (CF₃I)_n, в частности, формируется молекулярный ион I²⁺. Методами фемтосекундной техники “накачка-зондирование” впервые изучена кинетика этих реакций. Показано, что при фемтосекундной ионизации кластеров (CF₃I)_n имеют место два различных канала реакции с характерными временами τ1 ≈ 1 пс и τ2 ≈ 7 пс. Предложен механизм протекания исследованной внутрикластерной реакции (В.М.Апатин, к.ф.-м.н. В.О.Компанец, В.Н.Лохман, Н.-Д.Д.Огурок, Д.Г.Пойдашев, д.ф.-м.н. С.В.Чекалин, д.ф.-м.н. Е.А.Рябов).
• Проведён анализ связей между локальными наблюдаемыми, локальными импульсами и локальными энергиями электрона. Установлено, что локальные наблюдаемые электрона подчиняются 36 связям, вытекающим из коммутационных соотношений. Данные связи позволили установить неприводимые представления для наблюдаемых и свести описание волнового пакета электрона к минимально возможному представлению на основе 7 основных переменных. Показано, что локальные импульсы и энергии электрона подчиняются связям, которые сводятся к 16 неприводимым представлениям. Использование данных связей позволяет значительно упростить описание динамики волнового пакета электрона. Разработанная теория связей между основными функциями, определяющими структуру волнового пакета электрона, позволяет моделировать динамику волновых пакетов как свободных электронов, так и электронов, взаимодействующих с высокоинтенсивным лазерным излучением (д.ф.-м.н. В.Г.Миногин).

Отдел лазерно-спектрального приборостроения

• Разработан экспериментальный образец широкодиапазонного (190÷980 нм) лазерно-искрового эмиссионного спектрометра, предназначенного для решения задач геологии, почвоведения, криминалистики и порошковой металлургии. Основные достоинства прибора: возможность проведения анализа в сыпучих (порошковых) средах практически всех аналитически важных химических элементов при высокой концентрационной чувствительности (0,01-0,00001 массовых долей процента); простота пробоподготовки; возможность локального анализа химического состава включений размером от 30 до 100 мкм; возможность определения серы на уровне 0,01 массовых долей процента в спектральной области λ = 921 нм, а не в традиционной области ближнего ультрафиолета на 185 нм (д.ф.-м.н. О.Н.Компанец, к.т.н. Э.Г.Силькис совместно с НПО «Тайфун», Обнинск и ООО «МОРС», Троицк) - достижение включено в сборник «Отчетный доклад Президиума РАН - Научные достижения РАН в 2011 году»).

Теоретический отдел

• Bпeрвыe выполнены исследования в гибридных наноструктурaх особенностей динамики квазичастиц в полупроводниковой квантовой яме (электронов, дырок, экситонов), обусловленных наличием быстрoгo переносa энергии от полупроводниковой квантовой ямы к органике. Эти исследования особенно важны при нерезонансной накачке, когда в квантовых ямах возникает электрон-дырочная плазма (В.М.Агранович, Ю.Г.Гладуш, Phys.Rev.B, 2011).
• Предсказанa возможность создания поляритонных ловушек с большим временем жизни поляритона в ловушке в микрорезонаторах, имеющих металлические зеркала. Создание таких ловушек может упростить образование поляритонного конденсата с большим временем жизни, а также будет стимулировать исследования различных нелинейных оптических процессов в конденсате (д.ф.-м.н. В.М.Агранович, к.ф.-м.н. М.Л.Литинская, J. Phys.: Condensed Matter, 2011)-достижение включено в сборник «Отчетный доклад Президиума РАН - Научные достижения РАН в 2011 году»).*
• Теоретически исследован циркулярный фотогальванический эффект в гибридной системе, содержащей сверхпроводящие и полупроводниковые слои. Показано, что её облучение светом с энергией фотонов меньшей величины полупроводниковой щели приводит к возникновению сверхпроводящего тока. Данный эффект обусловлен спин-орбитальным взаимодействием в нецентросимметричном полупроводнике и макроскопической когерентностью сверхпроводящего состояния и относится к тому же классу явлений, что и эффект Мейсснера. В перспективе он может использоваться в квантовых вычислительных системах, включающих в себя сверхпроводящие квантовые цепи и кубиты в комбинации с фотонными кристаллами (д.ф.-м.н. А.Г.Мальшуков).
• Выяснено влияние электрон-электронного взаимодействия на проводимость систем с анизотропным и неквадратичным (т.е. галилеевски-неинвариантным) законом дисперсии. Показано, в частности, что в двумерных системах, в отличие от трехмерных, электрон-электронное взаимодействие в баллистическом пределе не приводит к изменению сопротивления в нижайшем - квадратичном порядке по отношению температуры к энергии Ферми (для выпуклых и не слишком больших поверхностей Ферми) (д.ф.-м.н. В.И.Юдсон совместно с Университетом Флориды и Университетом Висконсин, США).
• Объяснен эффект генерации косых солитонов, наблюдаемый в эксперименте с поляритонным конденсатом (A.Amo et al., Science, 2011, 332, 1167), образующимся в микрорезонаторах с внедрёнными квантовыми ямами (аналогичный эффект был предсказан в ИСАН в 2006 г. для течения атомного конденсата). Показано, что он связан с конечностью времени жизни поляритонов, что приводит к неоднородным профилям плотности и скорости течения конденсата, так что скорость поляритонного конденсата вблизи препятствия может быть дозвуковой (в отличие от сверхзвукового течения в случае атомного конденсата). Выяснены условия эффективной устойчивости солитонов и дана простая и физически наглядная интерпретация этих условий. Показано, что при параметрах течения, реализованного в эксперименте, оно быстро попадает в область устойчивости солитона весьма близко от препятствия, после чего рост длины солитона ограничен лишь размером конденсатного облака. Теоретические оценки находятся в количественном согласии с экспериментом (д.ф.-м.н. А.М.Камчатнов, м.н.с. С.В.Корнеев).

Лаборатория спектроскопии наноструктур

• Построена теория и предсказаны свойства коллективных возбуждений в электронной жидкости для случая киральной двумерной электронной жидкости на поверхности трехмерного топологического изолятора. Эти возбуждения, благодаря жесткой связи между спином и импульсом электронов, представляют собой связанные волны плотности заряда и плотности спина - спин-плазмоны. Исследована внутренняя структура спин-плазмонов. В состоянии со спин-плазмонами система приобретает полную спиновую поляризацию. Рассмотрено рассеяние спин-плазмонов на внешнем потенциале и показано, что благодаря их сложной внутренней структуре подавлено как рассеяние назад, так и рассеяние вперед. Диаграмма рассеяния спин-плазмона представляет собой два лепестка, имеющих максимум при конечном угле рассеяния. Спин-плазмоны могут использоваться в квантовой плазмонике, спинтронике и для решения задач передачи информации в наноэлектронике (к.ф.-м.н. Ю.Е.Лозовик) - достижение включено в сборник «Отчетный доклад Президиума РАН - Научные достижения РАН в 2011 году»).
• Предсказано образование пространственно разделенными электронами и дырками состояния со спонтанно неоднородным параметром когерентного порядка в системе, состоящей из двух листов графена, независимо управляемых внешними электродами. Это состояние реализуется при дисбалансе концентраций электронов и дырок выше критического значения. Предложен экспериментальный метод, основанный на внутреннем эффекте Джозефсона, который позволяет найти пространственную структуру параметра по зависимости туннельного тока от внешнего магнитного поля, параллельного листам графена (к.ф.-м.н. Ю.Е.Лозовик).
• Предсказана фазовая диаграмма и квантовые фазовые переходы в системе охлажденных ридберговских бозе-атомов, полученной экспериментально резонансным возбуждением системы атомов в ловушке, охлажденных до сверхнизких температур. Ридберговские атомы отталкиваются (а не притягиваются!) по ван-дер-ваальсову закону. Предсказано образование квантового кристалла и сверхтекучей фазы из ридберговских атомов. Поскольку в риберговское состояние возбуждается лишь часто охлажденных атомов, конденсат невозбужденных атомов находится в поле кристаллизованных ридберговских атомов, которые пространственно модулируют плотность невозбужденной компоненты. Поэтому в этой области фазовой диаграммы в системе невозбужденных атомов должен сосуществовать диагональный и недиагональный дальний порядок, т.е. система должна быть суперсолидом (к.ф.-м.н. Ю.Е.Лозовик).

Важнейшие результаты 2010 года

Отдел атомной спектроскопии

• На основе проведенных теоретических расчетов и всех имеющихся в диапазоне 821-10717Å экспериментальных данных выполнен анализ спектра двукратно ионизованного празеодима (Pr III). Дополнительно к известным 3300 линиям классифицировано еще 1600 спектральных линий. Данные о вероятностях переходов для астрофизически важной четной конфигурации 4f25d использованы для определения распространенности празеодима в атмосфере пекулярной Am звезды 32 Aqr. Результаты исследования спектра Pr III помещены в создаваемую в рамках 7-й Рамочной программы ЕС Виртуальную базу атомных и молекулярных данных (VAMDC) (д.ф.-м.н. А.Н.Рябцев, к.ф.-м.н. Р.Р.Кильдиярова).

Отдел молекулярной спектроскопии

• Впервые осуществлена регистрация изображений и бесфононных спектральных линий практически всех одиночных флуоресцирующих молекул, внедренных в качестве спектральных нанозондов в твердый образец макроскопических размеров. Тем самым показана возможность связать индивидуальные спектральные и пространственные характеристики единичных излучающих центров с локальной неупорядоченностью в структуре матрицы и с фотофизическими макроскопическими параметрами объемного образца (д.ф.-м.н. А.В. Наумов, д.ф.-м.н. Ю.Г. Вайнер, н.с. А.А. Горшелев совместно с Университетом г.Байройт, Германия).
• При изучении строения малых гелиевых кластеров с внедренной молекулой СО получен вид угловой анизотропии потенциала взаимодействия СО с гелиевым окружением и показано, что молекула СО вращается почти свободно, а атомы гелия действуют, как единая связанная система. Анализ изотопических зависимостей измеренных частот переходов в молекулярных комплексах (HeN –изотопологи СО) для N =1÷10 выявил, что атомы гелия аккумулируются вблизи атома кислорода до N = 6, а далее занимают позиции вблизи атома углерода до заполнения первой координационной сферы (д.ф.-м.н. Л.А. Сурин, к.ф.-м.н. А.В. Потапов, В.А. Панфилов).
• Впервые методом абсорбционной спектрометрии с диодными лазерами измерена динамика температуры и полного давления в процессе горения смеси водорода и воздуха в сверхзвуковом потоке, в том числе в условиях значительных электрических и акустических помех, определено пространственное распределение температуры на разных стадиях горения смеси. Измерения показали высокую эффективность разработанной методики для измерения характеристик нестационарных процессов в газовой фазе (д.ф.-м.н. М.А.Большов, к.ф.-м.н. Ю.А.Курицын, к.ф.-м.н. В.В.Лигер, к.ф.-м.н. В.Р.Мироненко совместно с Институтом высоких температур РАН).

Отдел спектроскопии твердого тела

• При исследовании спектров цепочечного никелата Gd₂BaNiO₅ экспериментально обнаружен новый тип оптических возбуждений одномерной цепочки спинов S=1 – магнитное поглощение с участием фонона. Поглощение такой природы, с необычной формой спектра наблюдалось ранее в цепочке спинов S=1/2. Однако, поскольку свойства цепочек целочисленных и полуцелочисленных спинов принципиально различны (Haldane, 1983), данное наблюдение важно для понимания особенностей квазиодномерных магнетиков (к.ф.-м.н. С.А.Климин, д.ф.-м.н. М.Н.Попова совместно с Казанским Федеральным и Женевским Университетами).
• При исследовании спектров поверхностных поляритонов сверхтонких (10-300 нм) пленок окиси магния, нанесенных на сапфир, обнаружено расщепление кривых дисперсии высокочастотного поверхностного поляритона сапфира вблизи 700 см^-1, обусловленное резонансом с колебанием тонкой пленки. Важно, что это расщепление наблюдается даже для пленок толщиной 10-30 нм, невидимых в спектрах внешнего отражения, что позволяет рассчитать их оптические постоянные (д.ф.-м.н. Е.А.Виноградов, д.ф.-м.н. В.А.Яковлев, к.ф.-м.н. Н.Н.Новикова совместно с Институтом неорганической химии и поверхности г. Падуя, Италия).
• Методами спектроскопии КРС и рентгеновской дифракции исследовано влияние на твердость покрытия параметров технологического процесса нанесения тонких пленок TiAlN (50-1200 нм) на сталь магнетронным распылением. Обнаружена двухфазная структура пленок: кристаллическая структура типа NaCl и разупорядоченная структура цепочек полиэдров [TiN]_x (x = 4 и 5). Наиболее высокой твердостью (≥ 12 ГПа) обладают пленки с малым содержанием N₂ в составе Ti/Al=1/3 (д.ф.-м.н. Б.Н. Маврин, к.ф.-м.н. В.Н. Денисов, д.ф.-м.н. Е.А. Виноградов, д.ф.-м.н. В.А.Яковлев, к.ф.-м.н. Н.Н. Новикова совместно с Институтом Материаловедения, Севилья, Испания).

Отдел лазерной спектроскопии

• Методом фемтосекундного возбуждения-зондирования в спектральном диапазоне 0.4-2.5 мкм измерено распределение амплитуд когерентных фононов A_1g и E_g симметрии в кристаллическом висмуте. Полученные данные доказывают различие механизмов генерации A_1g и E_g фононов и противоречат альтернативной «рамановской» модели (аспирант А.А.Мельников, д.ф.-м.н. С.В.Чекалин совместно с ИФТТ РАН).
• С помощью лазерного фотоэлектронного проекционного микроскопа по отклонению импульсного фотоэлектронного пучка интенсивным фемтосекундным лазерным излучением впервые измерена сила Гапонова-Миллера (СГМ). Показано, что действие этой силы, создаваемой фемтосекундными лазерными импульсами, линейно зависит от их интенсивности. Подход, основанный на использовании СГМ, позволяет осуществлять проверку корректности измерения длительности ультракороткого электронного сгустка (к.ф.-м.н. С.А.Асеев, вед.инженер Б.Н.Миронов, д.ф.-м.н. В.Г.Миногин).
• Методами фемтосекундной лазерной спектроскопии исследована миграция колебательной энергии в молекуле (CF₃)₂CCO. Показано, что имеет место многофотонное мод-селективное возбуждение колебания n1 резонансным ИК излучением (~ 5 мкм) вплоть до уровня с v = 6. Время жизни такой селективности ~ 5 пс. Впервые осуществлено on-line наблюдение динамики внутримолекулярного перераспределения энергии (IVR) из резонансно-возбужденного колебания n1 в колебания n2 , n3 и n4 в среднем ИК диапазоне (~5-8 мкм) (В.О.Компанец, к.ф-м.н. В.Б.Лаптев, д.ф-м.н. А.А.Макаров, д.т.н. С.В.Пигульский, д.ф-м.н. Е.А.Рябов, д.ф-м.н. С.В.Чекалин) – достижение включено в сборник «Отчетный доклад Президиума РАН - Научные достижения РАН в 2010 году»).*
• При осуществлении многофотонной ионизации (МФИ) наноразмерных кластеров (CF₃I)_n (n ≤100) УФ излучением (308 и 232,5 нм) измерена зависимость выхода продуктов УФ МФИ от интенсивности излучения, скоростное распределение образующихся продуктов, его анизотропия, кинетические энергии образующихся ионов. На основе анализа полученных данных установлен механизм УФ МФИ исследованных кластеров (к.ф.-м.н. В.М. Апатин, с.н.с. В.Н. Лохман, Н.-Д.Д. Огурок, Д.Г. Пойдашев, д.ф.-м.н. Е.А. Рябов).
• Разработан и собран вакуумный сканер на основе нанокапилляра (с диаметром апертуры менее 100 нм), предназначенный для сверхточного позиционирования нанопучков фотоэлектронов, фотоионов или мягкого рентгеновского излучения (к.ф.-м.н. С.А.Асеев, вед.инженер Б.Н.Миронов, н.с. А.П.Черкун).
• Высокочувствительным методом резонансно-ионизационной лазерной спектроскопии в источнике на фабрике радиоактивных изотопов CERN ISOLDE измерены изотопические сдвиги чётных изотопов полония ^{192−210,216,218}Po для атомной линии λ=843.38 nm на переходе 6p³7s ⁵S₂ - 6p³7p ⁵P₂. Выполненные впервые атомные вычисления позволили определить изменения средне-квадратичных зарядовых радиусов ядер этих изотопов. При продвижении в сторону лёгких изотопов обнаружено необычно большое и рано начинающееся отклонение от сферичности, только частично объясняющееся теорией среднего поля (к.ф.-м.н. В.И.Мишин).

Отдел лазерно-спектрального приборостроения

• Разработаны и изготовлены экспериментальные образцы новой версии портативного дихрометра медицинского назначения, регистрирующего в диапазоне длин волн 200÷800 нм слабые относительные изменения (~ 10^-6) сигнала кругового дихроизма оптически активных веществ под действием различных соединений, содержащихся в контактирующей с этими веществами анализируемой жидкости. За счет ряда усовершенствований и использования современной элементной базы уменьшены габариты прибора и повышена надежность его работы (д.ф.-м.н. О.Н.Компанец, В.М.Гусев, С.Ф.Кольяков, М.А.Павлов, А.М.Павлов, Д.П.Чулков, Н.П.Виноградов совместно с ИМБ РАН и ООО «Новые энергетические технологии»).

Теоретический отдел

• Показано, что оптический процесс Оже освобождения захваченного ловушкой электрона в полупроводниковой квантовой точке может быть не исследованным ранее эффективным механизмом прерывания "темного" периода в наблюдающихся мерцаниях люминесценции квантовой точки. Важность исследования связана с тем, что мерцания препятствуют применениям квантовых точек в качестве оптических маркеров (д.ф.-м.н. В.И. Юдсон совместно с Институтом теоретической физики Ульмского университета, Германия).
• Показано, что при протекании спинового тока через содержащий тонкий ферромагнитный слой джозефсоновский контакт между двумя сверхпроводящими нитями возникает периодически меняющаяся во времени разность потенциалов. Частота осцилляций зависит от силы спинового тока, а их амплитуда может сильно возрастать в условиях резонанса с коллективными модами Карлсона-Голдмана. Данный эффект может быть использован в электронных устройствах квантовой памяти, основанных на взаимодействии спинов со сверхпроводящими кубитами (д.ф.-м.н. А.Г.Мальшуко совместно с NTNU, Норвегия, Трондхейм) – достижение включено в сборник «Отчетный доклад Президиума РАН - Научные достижения РАН в 2010 году»).*
• Для описания экспериментально наблюдаемого множественного рождения электрон-дырочных пар единственным высокоэнергичным фотоном, поглощённым полупроводниковым нанокристаллом, развита теория мгновенного механизма прямого фотовозбуждения биэкситонов через посредство виртуальных экситонных и биэкситонных состояний в квантовых точках, которые реализуются лишь в течение действия импульса возбуждения. Эффективность указанного процесса сильно зависит от частоты поглощаемого фотона и имеет максимум в спектральной области слабого экситонного поглощения. Систематизированы в форме монографии основные сведения из теории термостимулированных электромагнитных возбуждений в дальнем и ближнем поле на различных расстояниях от поверхности образца, в том числе для пленок полупроводников на поверхности металла (д.ф.-м.н. В.М. Агранович совместно с Техасским университетом, США).

Лаборатория спектроскопии наноструктур

• С помощью квантового метода Монте-Карло исследована фаза суперсолида в системе двумерных дипольных экситонов и показано, что в идеальном равновесном кристалле суперсолид в макроскопическом пределе отсутствует, тогда как в кристалле с искусственно введенными дефектами (вакансиями, внедрениями) в квазиравновесной системе в основном состоянии имеются и макроскопический бозе-конденсат, и макроскопическая сверхтекучая компонента (к.ф.-м.н. Ю.Е.Лозовик, н.с. И.В.Курбаков).
• Предсказаны эффекты увлечения током электронов экситонных поляритонов в оптической микрополости и, наоборот, увлечение потоком поляритонов системы электронов. Указанные эффекты являются чувствительным индикатором появления сверхтекучести в системе поляритонов, поскольку после перехода в сверхтекучее состояние эффекты увлечения подавляются, а также дают возможность с помощью электрического напряжения управлять потоком фотонов в полости и, следовательно, угловым распределением фотонов, вылетающих из полости (к.ф.-м.н. Ю.Е.Лозовик) – достижение включено в сборник «Отчетный доклад Президиума РАН - Научные достижения РАН в 2010 году»).*

Важнейшие результаты 2009 года

Отдел атомной спектроскопии

• Предложен метод получения горячей плазмы с помощью кумуляции ударной волны. Ударная волна генерируется на поверхности полусферического изолятора в результате быстрого разряда (dI/dt ~1012 A/sec) P.S. Antsiferov, L.A. Dorokhin, Yu.V. Sidelnikov and K.N. Koshelev, Journal of Applied Physics, 105, 103305, (2009). Fast discharge in a plasma gun with hemispherical insulator.
• В области 6.5-7.5 нм в спектрах гадолиния и тербия, возбуждаемых в малоиндуктивной вакуумной искре и в лазерной плазме, зарегистрированы интенсивные пики излучения, ширина которых и положение максимума интенсивности зависят от условий возбуждения. Спектры интерпретированы как состоящие из переналожения большого количества линий в ионах от восьмой до двадцать второй кратности ионизации, вклад от которых изменяется с условиями возбуждения. Предложено использовать данные вещества при создании источника излучения для нанолитографии на длине волны короче 13,5 нм (д.ф.-м.н. А.Н.Рябцев с сотр.) Достижение включено в сборник «Отчетный доклад Президиума РАН - Научные достижения РАН в 2009 году»).*

Отдел молекулярной спектроскопии

• Разработан новый метод дальнепольной оптической диагностики твердых сред с нанометровым пространственным разрешением по спектрам одиночных молекул, внедряемых в объект в качестве нанозондов. Метод основан на одновременном мониторинге координат и спектров большого количества (сотни тысяч – миллионы) молекул и статистическом анализе полученных данных. Получены новые данные о связи макроскопических свойств поликристаллов, полимеров и стекол с их микроскопическими характеристиками (д.ф.-м.н. А.В.Наумов, д.ф.-м.н. Ю.Г.Вайнер, н.с. А.А.Горшелев) – достижение включено в сборник «Отчетный доклад Президиума РАН - Научные достижения РАН в 2009 году»).*

Отдел лазерной спектроскопии

• При исследовании внутримолекулярной динамики, индуцированной резонансным возбуждением фемтосекундным ИК излучением на длине волны ~5 мкм колебаний С-С-О и С-О связей в молекуле (CF₃)₂CCO и карбонилах металлов Fe(CO)₅ и Cr(CO)₆, соответственно, показано, что имеет место многофотонное возбуждение уровней резонансной моды вплоть до v=4, и обнаружено два типа последующих релаксационных процессов. Быстрый (τ менее 1 пс) процесс связан с квантовыми биениями различных вращательных состояний, а более медленный (τ более 1 пс) определяется внутримолекулярной колебательной релаксацией (IVR), которая приводит к перераспределению колебательной энергии из резонансной моды в другие колебания молекулы. Измеренное для молекулы (CF₃)₂CCO время IVR составило τ ≈ 6 пс (В.О.Компанец, к.ф-м.н. В.Б.Лаптев, д.ф-м.н. А.А.Макаров, д.т.н. С.В.Пигульский, д.ф-м.н. Е.А.Рябов, д.ф-м.н. С.В.Чекалин).
• С помощью лазерного фотоэлектронного проекционного наномикроскопа получено фотоэлектронное изображение отдельного фрагмента проводящего полимера, имеющего периодическую структуру с размером периода 5 нм. Предложен и реализован метод исследования характеристик фотоэлектронного пучка с наноразмерным пространственным и пико-секундным временным разрешением, основанный на отклонении пучка пондемоторным потенциалом в поле мощного фемтосекундного импульса (к.ф.-м.н. С.А.Асеев, вед.инженер Б.Н.Миронов, д.ф.-м.н. В.Г.Миногин).

Отдел лазерно-спектрального приборостроения

• Создан компактный одноволновый дихрометр, регистрирующий в видимом диапазоне спектра (λ~520 нм) слабые (на уровне ~ 10^-5) относительные изменения аномального сигнала кругового дихроизма биодатчиков на основе наноконструкций ДНК. На основе одноволнового дихрометра, ДНК-биодатчиков и аналитических методик их использования создана не имеющая аналогов по принципу действия компактная биосенсорная тест-система (оптический биосенсор), предназначенная для определения в жидкости наличия и концентрации генотоксикантов, «мишенью» которых являются структурные элементы наномостиков молекулярных конструкций ДНК. Минимальная концентрация противовирусных и противомикробных препаратов растительного происхождения, определяемая при помощи оптического биосенсора, составила величину ~ 0,5 мкг/мл, сравнимую с аналогичной характеристикой, получаемой с помощью традиционных методов анализа (д.ф.-м.н. О.Н.Компанец, В.М.Гусев, С.Ф.Кольяков, М.А.Павлов, А.М.Павлов, Д.П.Чулков, Н.П.Виноградов совместно с ИМБ РАН и ВИЛАР РАСХН).

Теоретический отдел

• Рассмотрено течение конденсата, удерживаемого в квазиодномерной ловушке, под действием движущегося потенциального барьера. Показано, что стационарные структуры возможны лишь при скоростях барьера ниже дозвуковой критической скорости ν_- или выше сверхзвуковой критической скорости ν₊. При скоростях в промежуточном интервале стационарное течение оказывается невозможным и в этом случае происходит непрерывная генерация солитонов. Сравнение с экспериментом показывает, что теория объясняет основные черты наблюдавшегося течения. Результаты работы опубликованы в статье: A.M. Leszczyszyn, G.A. El, Yu.G. Gladush, A.M. Kamchatnov, Phys. Rev. A 79, 063608 (2009) (к.ф.-м.н. Ю.Г.Гладуш и д.ф.-м.н. А.М.Камчатнов совместно с Университетом Лафборо, Англия.)
• Исследовано влияние рассеяния на примесях на низкотемпературную электронную проводимость анизотропных слоистых систем со случайно встроенными “неправильными”. В отсутствие рассеяния на расположенных в объеме кристалла примесях, система электронов становится эффективно одномерной и потому локализованной в направлении, перпендикулярном слоям (ось z). Показано, однако, что наличие даже слабого рассеяния на примесях приводит к делокализации и, соответственно, к ненулевой проводимости в z-направлении. Это явление может быть ответственным за чрезвычайно сильную анизотропию проводимости многих слоистых систем (графит и другие материалы) (д.ф.-м.н. В.И.Юдсон совместно с Университетом Флориды, Гэйнсвилл, США и Университетом Мурсии, Испания).
• Рассмотрен джозефсоновский контакт двух синглетных сверхпроводников с двумерным нормальным металлом (полупроводником). Показано, что комбинация спин-орбитального взаимодействия Рашбы и слабого ферромагнетизма, при соответствующей конфигурации обменного поля, приводит к возникновению сверхпроводящего тока через контакт. Данное физическое явление представляет собой термодинамически равновесный аналог обратного спинового эффекта Холла, имеющего место в нормальных системах (д.ф.-м.н. А.Г.Мальшуков совместно с Норвежским университетом науки и технологии).

Лаборатория спектроскопии наноструктур

• Предсказана бозе-эйнштейновская конденсация и сверхтекучесть магнитоэкситонных поляритонов в графене, помещенном в оптическую микрополость в сильном магнитном поле. Определены дисперсионные зависимости и спектры люминесценции магнитоэкситонов в графене и бислое графена. Изучены свойства поляритонных ловушек (к.ф.-м.н. Ю.Е.Лозовик).
• Разработана принципиальная схема наномасс-спектрометра на основе нанорезонатора нового типа, основанного на малых относительных колебаниях слоев нехиральных соизмеримых двухслойных углеродных нанотрубок (ДУНТ). Этот нанорезонатор предназначен для измерения массы молекулы, адсорбированной на внешнем слое или наночастицы, прикрепленной к внешнему слою. С помощью метода функционала плотности рассчитаны частоты нанорезонаторов, основаных на различных ДУНТ. Добротности нанорезонаторов определены с помощью компьютерного моделирования. Оценки чувствительности нанорезонаторов в качестве датчиков массы показывают возможность субатомного разрешения (к.ф.-м.н. Ю.Е.Лозовик, к.ф.-м.н. А.М.Попов) – достижение включено в сборник «Отчетный доклад Президиума РАН - Научные достижения РАН в 2009 году»).*