Важные научные достижения институтов ННЦ РАН

За последние годы в институтах ННЦ РАН было получено значительное количество научных результатов, характеризующих уровень современной науки в соответствующих направлениях исследований.
К наиболее важным достижениям можно отнести следующие результаты:

В результате совершенствования современных методов электронной оптики и электродинамики сверхразмерных квазиоптических систем сделан крупный шаг в разработке гиротронов для электронно-циклотронного нагрева плазмы в установках УТС. В рамках международной программы ИТЭР создан и испытан квазинепрерывный 170 ГГц гиротрон мегаваттного уровня мощности (1,05 МВт / 500 с и 0,8 МВт / 1000 с) с КПД 53-55% с алмазным вакуумным окном и депресс-коллектором, разработаны перспективные варианты мегаваттных гиротронов со ступенчатой перестройкой частоты для подавления МГД-неустойчивостей в токамаках, продемонстрированы рекордные значения КПД (до 70%); с использованием российского гиротрона на одной из крупней ших установок УТС – стеллараторе LHD (Япония) – получены разряды рекордной длительности, более 1 часа (ИПФ РАН).
Создан компактный источник терагерцового излучения с рекордными параметрами, получена генерация импульсов длительностью 40 мкс с мощностью 5 кВт на частоте 1,02 ТГц и 30 мкс с мощностью 0,5 кВт на частотах до 1,3 ТГц (ИПФ РАН).

Разработаны физические основы новых технологий получения перспективных материалов при воздействии электромагнитного излу-чения диапазона миллиметровых волн на вещество. В частности, предложен и реализован метод выращивания поликристаллических алмазных пленок и дисков, позволяющий в 5–7 раз увеличить скорость роста по сравнению со скоростью роста в традиционных реакторах фирмы «Де Бирс»; разработана технология эпитаксиального роста монокристаллического CVD алмаза на подложках из природного алмаза IIа типа, позволившая синтезировать монокристаллические слои алмаза с качеством, превышающим качество подложки;   разработаны технологии получения нанокерамических материалов с улучшенными механическими свойствами, созданы ЭЦР-источники многозарядных ионов с рекордными токами для современных ускорителей и обработки материалов (ИПФ РАН).

Разработаны физические и технологические основы низкочастотной акустической томографии мелкого моря. С использованием оригинальной аппаратуры, включающей уникальные излучающие и приемные антенные комплексы, впервые в условиях мелкого моря осуществлено наблюдение локализованных неоднородностей на дистанциях более 100 км. Подтверждена принципиальная возможность создания томографической системы акустического мониторинга мелкого моря на основе применения вертикально развитых излучающих и приемных антенн (ИПФ РАН).

Разработано новое поколение излучающих и приемных гидроакустических систем, которые закладывают базу для решения фундаментальных и прикладных задач акустики океана, в том числе акустической томографии океана, освещения подводной обстановки, измерения и контроля скрытности малошумных объектов. Созданы конструкции, опытные образцы и технология изготовления широкополосных, не имеющих аналогов за рубе жом излучателей в диапазоне частот от 100 до 3000 Гц с акустической мощностью до ~100 кВт и КПД до ~90%. Изготовлены отечественные образцы излучателей для гибких буксируемых антенн, превосходящие по своим параметрам иностранные аналоги. Прошел государственные испытания и передан в эксплуатацию цифровой антенный комплекс измерения параметров гидроакустического поля малошумных объектов (ИПФ РАН).
Развиты физические модели формирования аномально высоких волн на поверхности океана, связанные с эффектами собственной нелинейной динамики волн. Теория применена для анализа и объяснения инструментальных записей «волн-убийц» в различных акваториях Мирового океана (ИПФ РАН).
На основе использования принципов параметрического усиления света создан компактный фемтосекундный лазерный комплекс субпетаваттного уровня мощности, входящий в число пяти наиболее мощных лазерных систем в мире (достигнутая мощность 200 ТВт при длительности импульса 45 фс). Используемые принципы усиления и оригинальная архитектура лазера позволяют, используя существующие отечественные технологии (в том числе разработанную в ИПФ РАН скоростную технологию выращивания широкоапертурных кристаллов DKDP), реализовать масштабирование комплекса до мультипетаваттного уровня мощности (ИПФ РАН).

Экспериментально реализован новый метод визуализации внутренней структуры оптически непрозрачных (мутных) сред с пространственным разрешением в единицы микрон – оптическая когерентная микроскопия (ОКМ), метод совмещает предельное поперечное разрешение конфокальной микроскопии со сверхвысоким продольным разрешением, свойственным оптической когерентной томографии на основе фемтосекундных источников света. Применение ОКМ к изучению живых биотканей позволяет наблюдать структуры клеточного масштаба на глубинах до 500 мкм и тем самым создавать неинвазивную диагностику новообразований на самой ранней стадии их развития (ИПФ РАН).

Предложена и реализована новая схема создания оптических импульсов предельно короткой длительности с плавно перестраиваемой центральной длиной волны на основе полностью волоконной эрбиевой системы. Экспериментально продемонстрирована генерация импульсов длительностью 24 фс с центральной длиной волны, перестраиваемой в диапазоне 1,8–1,9 мкм (ИПФ РАН).

Создан новый тип светоизлучающего диода на эпитаксиальном Si:Er с неоднородным легированием области пространственного заряда, позволившим пространственно разнести в диоде туннельную генерацию носителей заряда и ударное возбуждение ионов эрбия.
В результате исключена нестабильность (шнурование) тока в условиях развития лавинного пробоя, увеличена длина области возбуждения ионов эрбия и мощность излучения на длине волны 1,54 мкм (ИФМ РАН).

Проведено теоретическое и экспериментальное исследование процессов излучения электромагнитных волн вихрями, движущимися в распределенных джозефсоновских переходах и слоистых высокотемпературных сверхпроводниках с внутренним эффектом Джозефсона. Изучено влияние внешних электродинамических систем на динамику вихрей, и построена теория черенковского излучения волн вихрями в одномерных и двумерных джозефсоновских системах. Найдены условия возникновения когерентного излучения, и предложен новый класс джозефсоновских генераторов (ИФМ РАН).

Создан интерферометр с дифракционной волной сравнения для измерения с субнанометровой точностью формы светосильных оптических поверхностей, включая асферические, и волновых деформаций объективов. По своим параметрам интерферометр входит в число лучших в мире, а по ряду параметров существенно превосходит аналоги. На его основе создан комплекс для изготовления и аттестации формы оптических элементов и аберраций систем с субнанометровой точностью, который позволяет реализовать в России разработки объективов сверхвысокого разрешения для проекционной нанолитографии, рентгеновской микроскопии и астрономии. Нанометровые размеры пятна фокусировки позволят получить сверхсильные электромагнитные поля с интенсивностью до 1024 Вт/см2 (ИФМ РАН).

 

Разработан и реализован твердотельный субмиллиметровый нестационарный спектрометр на основе генератора Ганна (частоты 75–79 ГГц) с умножителем частоты на полупроводниковых сверхрешетках. Спектрометр более экономичен в сравнении с микроволновыми спектрометрами на основе лампы обратной волны (ИФМ РАН).

Развита методика изготовления свободновисящих EUV-фильтров с апертурой 140 х 40 мм и рекордно высокой прозрачностью (Т = 80%) в спектральной области 13,5 нм при прозрачности от 0,1% в УФ- до 4% в ИК-области. Основные области применения фильтров: проекционная EUV-литография и метрология источников излучения лито-графических установок, рентгеновская диагностика плазмы, рентгенов-ская астрономия (ИФМ РАН).

Развиты физико-химические основы, методы и технологии получения значительного числа высокочистых веществ и материалов с содержанием суммы примесей на уровне 10–5–10–6 ат. % и отдельных примесей на уровне 10–8–10–10 ат. %. Получен ряд веществ с рекордной степенью чистоты: летучие соединения металлов, химические элементы в форме простых веществ. Разработаны методы определения примесного состава высокочистых веществ различных классов с пределами обнаружения 10–8–10–10 % и изотопного состава изотопно-обогащенных высокочистых веществ (ИХВВ РАН).

Разработаны научные основы и методы получения волоконных световодов из высокочистого кварцевого стекла с предельно низкими оптическими потерями для линий волоконно-оптической связи, высокоэффективных волоконных лазеров и усилителей. Разработана технология получения активных кварцевых волоконных световодов, легированных висмутом. На их основе созданы волоконные лазеры, генерирующие оптическое излучение в новом спектральном диапазоне 1300–1520 нм, освоение которого позволит значительно (более чем на порядок) увеличить пропускную способность волоконных линий связи (ИХВВ РАН совместно с НЦВО ИОФ РАН).

Завершен цикл работ по созданию физико-химических основ гидридного метода получения высокочистых монокристаллов стабильных изотопов кремния. Получены высокочистые монокристаллы Si-28, Si-29, Si-30 с содержанием основного изотопа 99,99; 99,92; 99,97 ат. % соответственно. Впервые получен образец моноизотопного кремния-28 массой более 5,9 кг с содержанием основного изотопа 99,99382±0,00240% и рекордно низким содержанием примесей углерода и кислорода.  По химической и изотопной чистоте выращенные монокристаллы превосходят образцы, полученные ранее. Установлено существенное различие в ряде свойств моноизотопных разновидностей кремния между собой и со свойствами кремния природного изотопного состава: по теплопроводности, интенсивности низкотемпературной фотолюминесценции, тонкой структуре спектров, в показателе преломления и др. Высокочистые монокристаллы изотопов кремния перспективны для создания элементов квантовых компьютеров, изделий спиновой электроники, световодных структур для волоконной оптики ближнего ИК-диапазона, нового поколения детекторов ядерных частиц и ионизирующих излучений (ИХВВ РАН совместно с НТЦ «Центротех», С.-Петербург, НЦВО РАН и рядом зарубежных научных центров).


Разработан гидридный метод  получения германия, обогащенного изотопом Ge-76, использующий моногерман на всех стадиях процесса, включая разделение изотопов. Получен монокристалл высокочистого германия, обогащенного изотопом Ge-76, с изотопным составом: Ge-76 – 88,21%, Ge-70 – 0,06%, Ge-72 – 0,09%, Ge-73 – 0,05%, Ge-74 – 11,59%. Гидридная технология более эффективна при обеспечении высокой химической и изотопной чистоты германия, необходимого для решения новых фундаментальных и прикладных задач в области ядерной физики (ИХВВ РАН совместно с ОАО «ПО Электрохимический завод», г. Зеленогорск).


Впервые обнаружена уникальная реакционная способность комплексов непереходного элемента сурьмы с редоксактивными катехолатными и о-амидофенолятными лигандами обратимо взаимодействовать с молекулярным кислородом, что позволяет имитировать биологические переносчики молекулярного кислорода. Получение таких соединений сурьмы и их стабильных комплексов с кислородом позволяет использовать их как дешевые, по сравнению с традиционными соединениями платиновых металлов, переносчики кислорода для самого разнообразного круга окислительных процессов. Данные соединения имеют также большую перспективу в качестве антиокислителей в различных, в том числе биохимических, процессах (ИМХ РАН).

Впервые получен ряд неизвестных ранее молекулярных объектов, содержащих связи металл-металл, в том числе связи цинк-цинк, цинк-галлий, литий-галлий, алюминий-алюминий, алюминий-литий и лантан-галлий. Разработанный подход к синтезу таких объектов состоит в использовании органических лигандов, сочетающих конформационную жесткость углеродного остова с лабильной электронной системой, способной внести вклад в связывание атомов металлов. Результаты этих исследований приводят к получению нового фундаментального знания о природе химической связи, а также способствуют решению ряда прикладных задач, в том числе получению новых функциональных наноразмерных материалов и созданию эффективных каталитических систем для процессов органического синтеза (ИМХ РАН).

На основе органических производных непереходных металлов разработаны катализаторы полимеризации лактидов с раскрытием цикла, превосходящие по своей эффективности большинство известных каталитических систем. Процесс образования полилактида на испытанных катализаторах носит характер «живой» полимеризации, что позволяет получать разнообразные по составу и микроструктуре биодеградируемые полимерные материалы из быстро возобновляемого растительного сырья, а не из нефтепродуктов (ИМХ РАН).


Создана уникальная лабораторная установка дугового синтеза углеродных наноматериалов (фуллеренов, эндофуллеренов и нанотрубок) в условиях реверсивного режима горения дуги. Установка используется для исследований процесса синтеза и производства малых партий углеродных наноматериалов (ИМХ РАН).