Институт автоматики и процессов управления

Предложена модель прыжковой проводимости дырок в валентной зоне в квазидвумерной проводящей системе, образованной нанокристаллитами внутри одной кристаллографической плоскости полупроводника. Модель объясняет впервые обнаруженный характер температурных изменений сопротивления в образце с нанокристаллитами CrSi₂ в плоскости Si(111) от индукции магнитного поля (рис. 1), высокую подвижность носителей заряда при 20-30 К и гигантское магнетосопротивление, уменьшающееся с ростом температуры.
Yu. F. Comnik, V.V. Andrievskii, I.B. Berkutov, I.G. Mirzoev, N.G. Galkin, D.L. Goroshko. The 2D conducting system formed by nanocrystallites CrSi₂ in the (111) plane of silicon: New object // Physica E: Low-dimensional Systems and Nanostructures. 2014. N.64. P.165-168.

Рисунок 1. Слоевое сопротивление (R_xx) образца как функция обратной абсолютной температуры (1/T) при токе 10 мкА.
Вертикальные линии определяют: области прыжковой проводимости - I, II, III и области с различной энергией активации примесной проводимости-IV и V.

Разработан способ создания принципиально нового оптического элемента - волоконного микроаксикона, способного собирать лазерное излучение в остросфокусированные Бесселевы пучки (рис. 2 а). На основе этого элемента реализован метод прямого лазерного наноструктурирования поверхности металлических пленок, позволяющий создавать устройства нанофотоники и плазмоники с рекордным разрешением до 40 нм, которое ранее было достигнуто только в системах электронной и ионной литографии (рис. 2 б и 2 в).
A. Kuchmizhak, S. Gurbatov, O. Vitrik, Yu. Kulchin. Fabrication of porous metal nanoparticles and microbumps by means of nanosecond laser pulses focused through the fiber microaxicon. Optics Express. 2014. N22. P.19149-19156.

Рисунок 2. (а) - Электронное изображение волоконного микроаксикона и распределение интенсивности лазерного излучения в фокусе микроаксикона;
(б) - зависимость геометрических размеров основных типов лазерно-индуцированных структур (наноотверстий и микровыпуклостей),
сформированных единичным наносекундным импульсом на поверхности и в объеме пленок Au/Pd с толщинами 40, 80 и 160 нм, от энергии в импульсеЕ.
На вставке приведены зависимости высоты микровыпуклостей hbumpот энергии в импульсе Е для различных толщин пленок Au/Pd.
Электронные изображения на вставках иллюстрируют соответствующие энергиям в импульсе типы лазерно-индуцированных микроструктур;
(в) - электронное изображение надписи "IACP", состоящей из микровыпуклостей на поверхности пленки Au/Pd толщиной 80 нм.

Разработана уникальная лазерная система измерения массы нанообъектов, основанная на высокоточной регистрации наномасштабных колебаний микрокантилевера, осуществляемой с помощью адаптивного голографического интерферометра. Экспериментально продемонстрирована возможность снижения размеров кантилевера до суб-микрометровых масштабов (0,3x0,3x15,0 мкм³; см. вставку на рис.3), что позволяет повысить чувствительность системы до уровня 2,6x10¹⁷ Гц/г и тем самым снизить порог детектирования массы до 5,8x10^-17 г.
Ромашко Р. В., Ефимов Т. А., Кульчин Ю. Н. // Квантовая электроника. - 2014. Т. 44. №. 3. С. 269-273/

Рисунок 3. Зависимость уровня детектируемого сигнала от положения сканирующего лазерного пучка
на чувствительном элементе - суб-микромасштабном кантилевере (см. фото на вставке):
А - пучок не попадает на кантилевер (1); В - пучок попадает на кантилевер (1);
С - пучок попадает на основание (2) кантилевера.

На основе экспериментальных данных и результатов расчетов были определены атомное строение и электронные свойства поверхностной фазы Si(111)2x2-In, которая имеет сотовую структуру, образованную тримерами и мономерами In на поверхности Si(111), и проявляет полупроводниковые свойства. Эта фаза представляет собой промежуточную структуру на пути формирования сверхпроводящей пленки In атомной толщины (рис. 4).
J.P. Chou, C.M. Wei, Y.L. Wang, D.V. Gruznev, L.V. Bondarenko, A.V. Matetskiy, A.Y. Tupchaya, A.V. Zotov and A.A. Saranin. Atomic structure and electronic properties of In/Si(111)2x2 surface // Physical Review B, 2014. Vol. 89. Iss. 15. P.155310-5.

Рисунок 4. (а) Экспериментальное и (б) рассчитанное микроскопические изображения поверхности Si(111)2x2-In
с наложенными на них схематическими изображениями ее атомной структуры.
(в) Сопоставление экспериментального спектра этой фазы, полученного методом фотоэлектронной спектроскопии с угловым разрешением,
и результатов расчетов ее электронной зонной структуры.

Секция информационных технологий и автоматизации

35. Когнитивные системы и технологии, нейроинформатика и биоинформатика, системный анализ, искусственный интеллект, системы распознавания образов, принятие решений при многих критериях

Разработана и исследована модель динамики генетической структуры и численности популяции, когда ее адаптивные параметры к одируются одним плейотропным генным локусом. Показано (рис. 5), что эволюционный рост популяционных параметров может быть немонотонным, со значительными флуктуациями; причем может происходить даже стабилизация популяционных показателей (таких как численность и генетический состав возрастных классов).
Жданова О.Л., Фрисман Е.Я. Моделирование отбора по плейотропному локусу в двухвозрастной популяции // Генетика. 2014. Т. 50, № 8. С. 996-1008

Рисунок 5. Распределение средней выживаемости (с) старшей возрастной группы и репродуктивного потенциала популяции (w),
относительной численности старшего возрастного класса (y), а также частоты генотипа Аа в старшей возрастной группе
в предельных траекториях модели с ростом выживаемости генотипа Аа репродуктивной группы.

Разработан численный метод и реализован параллельный алгоритм для многопроцессорных вычислительных систем решения некорректно поставленных задач регуляризации большой размерности с недифференцируемыми стабилизирующими функционалами (рис. 6). Новизна и научная значимость подхода заключается в эквивалентном преобразовании задачи негладкой оптимизации к двойственной квадратичной задаче с линейными ограничениями. Практической значимостью результата является решение интегральных уравнений Фредгольма 1 рода для прикладных задач математической геофизики распознавания образов.
Величко А.С. // Вычислительные технологии. 2014. № 2. С. 14-20.

Рисунок 6. Модельное и восстановленное решение для классической тихоновской регуляризации и регуляризации
с недифференцируемым стабилизатором, где u(s) модельное (сплошная линия)
и восстановленное (пунктирная линия) решение для классической тихоновской регуляризации (а),
для задачи регуляризации с недифференцируемым стабилизатором (б)

Разработан метод визуальной навигации подводного робота по последовательности стереоизображений. Особенностью метода является применение адаптивной методики расчета траектории и интеграция в вычислительную схему угловых измерений бортовой навигационной системы. Эти модификации дают дополнительное существенное повышение точности навигации в сравнении с традиционным вариантом визуальной одометрии. Получены оценки эффективности метода.
Бобков В.А., Роньшин Ю.И., Кудряшов А.П., Машенцев В.Ю. 3D SLAM по стереоизображениям // Программирование. 2014. №4. С.5-12.

Построен стационарный вариант модели вертикального распределения фито-планктона в столбе воды под единицей водной поверхности. С учетом факторов внешней среды модельно описана зависимость вырабатываемой первичной про-дукции от концентрации хлорофилла, оцениваемой по данным спутникового дистанционного зондирования поверхности моря. Построены оценки распределения годовой первичной продукции в Японском море за 2009-2012 гг.
Пак С.Я., Абакумов А.И. // Информатика и системы управления. 2014. № 3(41). С. 23-32.

Отделение физических наук РАН

8. Актуальные проблемы физики конденсированных сред, в том числе квантовой макрофизики, мезоскопики, физики наноструктур, спинтроники, сверхпроводимости

Предложен аналитический метод функциональной теории возмущения формы поверхности нанообъектов для описания квантовых характеристик систем зарядов в нанообъемах произвольной формы. Впервые, аналитически показано, что плотность вероятности местонахождения частицы более чувствительна к искажению формы нанобъема, чем ее энергетический спектр и плотность квантовых состояний. Даже малые отклонения от сферической формы приводят к перемешиванию чистых состояний, размытию плотности вероятности, снимают вырождение по магнитному квантовому числу. Эти изменения влияют на оптические, поверхностные и контактные свойства, на скорость электронного транспорта в наноструктурах.
V.P. Dzyuba, Yu.N. Kulchin, and V.A. Milichko Quantum_Size States of the Deformed Nanospher // Physics of the Solid State. 2014. Vol.56. No.2. P.359-366.

Рисунок 9. Форма наночастиц и отношение энергии квантово-размерных состояний заряда них
и в сферической частице радиуса R₀ для различных квантовых чисел l и m

Рисунок 10. Нормированные значения поправки плотности вероятности местоположения частицы (а),
вызванное возмущением формы поверхности наносферы (рис.9, А),
к плотности вероятности местоположения частицы в сферическом объекте (b) для первого возмущенного состояния.

Разработана стратегия создания низкоразмерных материалов с электронными спин-расщепленными металлическими состояниями на кремнии путем формирования двумерных сплавов. Эффективность этой стратегии продемонстрирована на примере формирования сплавов Bi-Na и Tl-Pb на поверхности Si(111). Подобные сплавы открывают возможность реализации значительного спинового транспорта в низкоразмерных системах на основе кремния.
D.V. Gruznev, L.V. Bondarenko, A.V. Matetskiy, A.A. Yakovlev, A.Y. Tupchaya, S.V. Eremeev, E.V. Chulkov, J.P. Chou, C.M. Wei, M.Y. Lai, Y.L. Wang, A.V. Zotov, A.A. Saranin. A strategy to create spin-split metallic bands on silicon using a dense alloy layer // Scientific Reports. 2014. Vol.4. Article number: 4742. DOI: 10.1038/srep04742, 5 P.

Рисунок 11. Трансформация неметаллических спин-расщепленных электронных состояний S1 (S1')
на поверхности Bi/Si(111) в металлические спин-расщепленные состояния Σ1 (Σ1')
при добавлении атомов Na и формировании двумерного сплава Bi-Na

9. Физическое материаловедение: новые материалы и структуры, в том числе фуллерены, графены, другие наноматериалы, а также метаматериалы

Впервые обнаружен и исследован эффект обратимого изменения фотоиндуцированного коэффициента поглощения в нанокомпозите на основе квантовых точек сульфида кадмия, внедренных в оптически прозрачную силикатную матрицу (рисунок 12, а), как реакции на воздействие ультрафиолетового излучения и величину его дозы (рисунок 12, б). Обнаруженный эффект открывает возможности синтеза принципиально новых нелинейно-оптических наноматериалов д ля создания полностью оптических систем управления лазерным излучением.
Voznesenskiy S.S., Sergeev A.A., Galkina A.N., Kulchin Yu.N., Shchipunov Yu.A., Postnova I.V. Laser-induced photodynamic effects at silica nanocomposite based on cadmium sulphide quantum dots // Optics Express. Vol. 22. N 2. 2014. P. 2105-2110.

Рисунок 12. а) Фотография люминесцирующего нанокомпозита;
б) изменение выходной мощности лазерного излучения λ=633 нм, прошедшего через нанокомпозит
при воздействии коллинеарного модифицирующего излучения λ=405.9 нм и зависимость от его дозы.

11. Фундаментальные основы лазерных технологий, включая обработку и модификацию материалов, оптическую информатику, связь, навигацию и медицину

Впервые в России создана экспериментальная установка фемтосекундного лидара для исследования газового и аэрозольного состава атмосферы с использованием титан-сапфирового лазера с чирпированным импульсом, что позволило достичь максимальной дальности приема сигнала обратного рассеяния 11 км при зондировании лазерными импульсами длительностью от 40 фс с центральными длинами волн 400 и 800 нм, частотой повторения импульсов до 1 кГц и средней мощностью 7 Вт.
О.А. Букин, М.Ю. Бабий, С.С. Голик, А.А. Ильин, А.М. Кабанов, А.В. Колесников, Ю.Н. Кульчин, В.В. Лисица, Г.Г. Матвиенко, В.К. Ошлаков, К.А. Шмирко. Лидарное зондирование атмосферы с использованием гигаваттных лазерных импульсов фемтосекундной длительности // Квантовая электроника. 2014. 44 (6). С.563-566.

Отделение энергетики, машиностроения, механики и процессов управления РАН

Секция механики

Секция проблем машиностроения и процессов управления

24. Теория систем, общая теория управления сложными техническими и другими динамическими системами, в том числе единая теория управления, вычислений и сетевых связей, а также теория сложных информационно-управляющих систем, групповое управление и распределенное управление

Разработан метод синтеза систем контурного управления для автоматической настройки параметров программных сигналов движения подводных аппаратов по произвольным пространственным траекториям на предельно высокой скорости при сохранении заданной динамической точности перемещения. В отличие от известных указанные системы управляют не самими аппаратами, а их программными сигналами. Это позволяет значительно упростить практическую реализацию устройств управления, но, как показали результаты моделирования и экспериментальных исследований, обеспечить быструю реализацию различных миссий без снижения качества выполняемых операций.
Филаретов В.Ф., Юхимец Д.А., Щербатюк А.Ф., Мурсалимов Э.Ш., Туфанов И.Е. Новый метод контурного управления АНПА // Мехатроника, автоматизация, управление. 2014. №8. С.46-56.

Рисунок 14. Структурная схема высокоточной системы контурного управления высокоскоростным движением подводного аппарата.
БОТД - блок определения точности движения подводного аппарата по заданной траектории;
СФПС - система формирования программных сигналов;
РРД - регулятор режима (скорости) движения подводного аппарата;
СУ - типовые следящие системы управления соответствующими каналами подводного аппарата

23. Механика деформирования и разрушения материалов, сред, изделий, конструкций, сооружений и триботехнических систем при механических нагрузках, воздействии физических полей и химически активных сред

На примере решений ряда последовательности одномерных квазистатических задач, описывающих процессы деформирования материала полого шара, исследовано поведение материала, подчиняющегося вязкоупругой модели Фойгта. Получены аналитические решения задач о вязкоупругом деформировании, зарождении и развитии пластического течения при увеличении давления на внешней границе шара. Рассмотрен также процесс разгрузки при медленном снятии нагружающего давления. Рассчитаны поля напряжений, упругих и пластических деформаций в материале сферического слоя, закономерность продвижения упругопластической границы, уровень и распределение остаточных напряжений.
Буренин А.А., Ковтанюк Л.В., Терлецкий И.А. О необратимом деформировании и последующей разгрузке сферического вязкоупругопластического слоя // Известия РАН. Механика твердого тела. 2014. № 3. С. 44-55

22. Механика жидкости, газа и плазмы, многофазных и неидеальных сред, механика горения, детонации и взрыва

Посредством численного эксперимента изучено влияние гравитации на распространение самоподдерживающихся волн горения твердых пористых сред. Обнаружено, что гравитационное поле внутри пористого горючего объекта и перепад давлений на границах этого объекта, вызванный действием силы тяжести на окружающий воздух, приводят к противоположным конкурирующим эффектам: направления или режимы распространения вызванных ими волн горения различаются.
Lutsenko N.A., Levin V.A. Effect of Gravity Field and Pressure Difference on Heterogeneous Combustion in Porous Media // Combustion Science and Technology. 2014. Vol. 186. Issue 10-11. P.1410-1421.

80. Научные основы разработки методов, технологий и средств исследования поверхности и недр Земли, атмосферы, включая ионосферу и магнитосферу Земли, гидросферы и криосферы; численное моделирование и геоинформатика: инфраструктура пространственных данных и ГИС- технологии

Разработан метод регистрации слабых сейсмоакустических сигналов с использованием волоконно-оптических деформометров на основе интерферометра Маха-Цендера. Эксперименты показали, что метод позволяет создавать мобильные быстроразвертываемые измерительные системы, предназначенные для решения широкого круга сейсмологических, геофизических и океанологических задач.
Каменев О.Т., Кульчин Ю.Н., Петров Ю.С., Хижняк Р.В. Применение волоконно-оптического интерферометра Маха-Цендера для создания длиннобазовых деформометров // Письма в ЖТФ. 2014. Т.40. №3. C.49-56.

Основные результаты фундаментальных и прикладных исследований за 2014 год

Отделение нанотехнологий и информационных технологий РАН

Секция нанотехнологии, нанобиотехнологии, наносистемы, наноматериалы, нанодиагностика, наноэлектроника и нанофотоника

43. Нанотехнологии, нанобиотехнологии, наносистемы, наноматериалы, нанодиагностика, наноэлектроника и нанофотоника