СМИ о нас

Как  возникает люминесценция и есть ли в ней польза, помимо красоты? Что такое органические светодиоды, и где они применяются? Можно ли измерять температуру светом? Об этом и многом другом ― в интервью с доктором химических наук, ведущим научным сотрудником лаборатории «Молекулярная спектроскопия люминесцентных материалов» ФИАН Ильей Викторовичем Тайдаковым.

― Откуда берется эффект люминесценции и как мы используем его на практике?

― Люминесценция — наверное, одно из самых красивых физических явлений, и человечеству оно знакомо с древности. Аристотель, например, упоминал о свечении моря из-за, как мы сейчас знаем, микроскопических организмов. Считается, что люминесценция впервые была описана научным образом Робертом Бойлем в середине XVII в. Он экспериментировал с алмазами и обнаружил, что после облучения солнцем они могут определенное короткое время светиться в темноте. Потом известный алхимик Винченцо Кашароло из Болоньи смог синтезировать первый искусственный люминесцентный материал. Он прокаливал тяжелый шпат в печи и обнаружил, что этот минерал после облучения солнцем светится в темноте достаточно продолжительное время. Потом был открыт фосфор, классический пример хемилюминесценции.

Большого интереса явление не вызывало приблизительно до середины XX в., когда было обнаружено, что оно может быть крайне полезно. В частности, основатель нашего института Сергей Иванович Вавилов решал с помощью люминесценции задачи освещения, химического анализа и визуализации тех объектов, которые не видно глазом. Вопросы люминесценции стали исследоваться достаточно широко, и в настоящее время ее изучение стало мощной отраслью современной химии, физики, материаловедения.

Что такое люминесценция? Это холодное свечение. Согласно классическому определению С.И. Вавилова, люминесценция есть «избыточное над тепловым излучение тела, длящееся  определенное количество (более 10-10 секунды)  времени». Ограничение по времени необходимо нам, чтобы отличить люминесценцию от других явлений, таких, как, скажем, отражение или рассеяние.  Все очень просто. Например, мы знаем, что, если взять тело с температурой выше абсолютного нуля, то есть примерно  ̶ 273º C, то оно испускает электромагнитные волны. В определенном диапазоне мы можем чувствовать эти электромагнитные волны как ощущение тепла. Это инфракрасное излучение. По мере того как тело нагревается, это излучение будет смещаться по спектру из инфракрасной области в красную. Если мы, допустим, будем прибавлять напряжение лампочке, сначала она просто нагреется, потом при достижении температуры нити  приблизительно 500–600º C начнет слабо светиться. И с ростом напряжения она будет светиться все ярче и ярче ― максимум будет смещаться по спектру.

А теперь возьмем светящиеся палочки. Если мы разломим такую палочку и встряхнем ее, то за счет химической реакции возникает свечение. Я могу совершенно спокойно держать в руках палочку, цвет свечения которой соответствует температуре нагретого тела порядка 3000º C. Однако в реальности никакого значительного тепла не выделяется. Это избыточное над тепловым излучение, то есть тело на самом деле холодное, а энергия выделяется в виде света.

У люминесценции могут быть самые различные источники возбуждения. Если направить ультрафиолетовый свет на сосуды, содержащие люминесцентный краситель, то мы увидим, что невидимое излучение ультрафиолета поглощается, а в видимом диапазоне в красной и зеленой областях выделяется свет. Естественно, при этом практически никакого нагрева нет.

Люминесцировать могут не только специально приготовленные химические соединения. Если мы направим ультрафиолетовый свет на кристалл оксида алюминия, содержащего примесь ионов трехвалентного хрома, он же рубин, мы увидим, что наблюдается яркое красное свечение. Этот эффект используется в том числе и в лазерах. Здесь, в ФИАН, был создан первый в Советском Союзе лазер на рубиновом стержне.

В быту нам знакомы люминесцентные метки на банкнотах, позволяющие кассиру в банке проверить подлинность бумаг. Есть люминесценция, вызываемая пучками электронов или рентгеновским излучением. На них работают флюорографические системы в поликлинике, а также электронно-лучевые трубки в телевизорах и осциллографах. Применение люминесценции чрезвычайно разнообразно и интересно, оно имеет громадное практическое значение. Вы можете с помощью красителя пометить трещины на поверхности детали и, облучив ее фонарем, увидеть, где краситель распределился, и обнаружить дефекты, невидимые для невооруженного глаза.

― Чем занимается ваша лаборатория? Какие в ней проводят исследования?

― Можно выделить три основных направления. Первое связано с исследованием люминесцентных органических красителей. Эта работа ведется в сотрудничестве с Институтом органической химии РАН. Мы изучаем новые красители, необходимые для создания органических светоизлучающих устройств и органических солнечных батарей. Роль красителя там сводится к тому, что он поглощает видимый свет и передает его на внутреннюю структуру батареи, и таким образом происходит разделение зарядов. В органическом светоизлучающем диоде происходит обратный процесс -  возбужденные молекулы, образующиеся при слиянии носителей зарядов, сбрасывают избыточную энергию в виде света.

Второе направление, наверное, самое для нас главное, ― это исследование люминесцентных материалов на основе так называемых лантаноидов. Это группа элементов-металлов с атомными номерами 57-71 в периодической таблице. Начинается ряд лантаном, заканчивается лютецием. Основная особенность этих элементов ― частично или полностью заполненная f-электронная оболочка. Она экранирована внешними электронами, и внутри нее возможны электронные переходы. Они отвечают за то, как свет поглощается и, самое главное, как свет излучается.  Конечно, мы изучаем не сами металлы, а образуемые ими трехзарядные ионы в составе более сложных так называемых, координационных соединений, где ион лантаноида дополнительно связан с различным окружением из органических молекул.

Хотя ионы лантаноидов могут люминесцировать сами по себе, правильно подобранное окружение позволяет усилить этот эффект многократно.

В лаборатории   мы  всесторонне изучаем внутренние механизмы передачи энергии в координационных соединениях, чтобы понять, как сделать их люминесценцию более эффективной, или почему она  в каких-то случаях, наоборот, отсутствует.   Понимание путей передачи энергии позволяет решать интересные практические задачи.

Так, одна из  интересных особенностей материалов на основе лантаноидов заключается в том, что эффективность передачи энергии в них при определенных условиях может зависеть  от температуры. Можно создать материалы, которые будут менять цвет люминесценции в зависимости от того, при какой температуре они находятся. Это так называемая люминесцентная термометрия.

Также мы создаем материалы, меняющие люминесцентный ответ в зависимости от каких-то внешних факторов среды — в частности, от наличия в ней определенных химических соединений.  Это тоже результат исследований механизма передачи энергии, на этот раз – почему она в некоторых случаях происходит неэффективно.

Мы, например, недавно запатентовали сенсор, который позволяет определять примесь обычной воды в тяжелой воде, что интересно для ядерной промышленности. Это очень простой метод и позволяет почти «на глаз», с применением простейших приборов определять даже очень незначительные концентрации.

― Вы затронули тему органических светоизлучающих устройств. Расскажите, пожалуйста, подробнее о технологии органических светодиодов и о том, какое у нее будущее.

― В современном материаловедении это одна из горячих тем. Но история началась довольно давно. В 1950-е гг. Андре Бернаноз из университета Нанси обнаружил, что кристаллы люминесцентного красителя под действием высокого напряжения начинают светиться. Приблизительно через десять лет, в 1960-е гг., химики обнаружили, что кристаллы нафталина и антрацена тоже обладают люминесценцией под действием электрического тока. Тогда этот феномен мало кого заинтересовал, поскольку он проявляется при очень высоких напряжениях, порядка сотен вольт, и, соответственно, практического применения тогда почти не имел.

Взрывообразный рост интереса к органическим светодиодам возник в 1987 г., когда Чинг Ван Танг и Стивен Ван Слайк опубликовали первую статью об органических светодиодах на малых молекулах. Исследователи использовали комплекс алюминия, который работал при низких напряжениях. То есть их диод включался при напряжении порядка 4–5 В, что было уже совершенно приемлемо для практических применений. В 1997 г. появились первые коммерческие дисплеи, правда, монохромные, выпущенные фирмой «Пионер». Ну а дальше рост был скачкообразный, и в 2002 г. Samsung уже выпустил первый коммерческий дисплей.

В чем принцип работы органических светодиодов? Диод представляет собой достаточно простую структуру: два электрода, между которыми находится слой органического люминофора. Когда мы пропускаем ток через диод, на отрицательном электроде происходит выпуск или, как принято говорить, инжекция электронов. В этот момент на положительном электроде, то есть на аноде приходит как бы забор электронов обратно и образуются, как физики говорят, дырки — вакансии, которые несут положительный заряд. Дальше эти электронные дырки начинают дрейфовать внутрь структуры. И в какой-то момент положительные и отрицательные заряды встречаются. Это приводит к тому, что образуется так называемый экситон, то есть квазичастица, которая содержит в себе энергию. А она куда-то должна деться. Один из вариантов ― уйти в тепло, но, если вы правильно подобрали материал, то он начинает люминесцировать. Это явление называется электролюминесценцией.

В теории все очень просто: однослойное устройство, металлический катод, металлический анод. Но на самом деле все гораздо сложнее. Во-первых, мы говорим об очень тонких слоях материала. Органика, как правило, ― это диэлектрик. Поэтому, чтобы проявились электропроводящие свойства, помимо определенной структуры, нужно еще и использовать очень тонкие слои толщиной в десятки нанометров. Во-вторых, оказывается, что нужно сделать так, чтобы встреча электронных дырок происходила в том слое, который светится, а не где-то на одном из электродов. Поэтому реальный органический светодиод представляет собой «пирог» из нескольких десятков специально подобранных слоев. Вся эта конструкция должна быть очень хорошо экранирована от воздуха и влаги, поскольку те моментально разрушают структуру.

Основная проблема OLED-технологии заключается в том, что это тяжелая задача для материаловедения и органической химии. Создание материалов, технологий их напыления или нанесения другим способом, герметизация всей этой структуры, обеспечение рабочих условий... До сих пор не полностью решена проблема синего цвета. Чтобы обеспечить полноцветный дисплей, OLED-устройство должно состоять из трех компонентов ― красного, зеленого и синего. Синие работают хуже всего, поскольку это самое высокоэнергетическое излучение и оно приводит к быстрой деградации слоя, экран выцветает.

Ну и, конечно, есть проблема создания новых люминофоров, поскольку современные материалы ― это либо полимеры, недостаточно долговечные и не слишком технологически удобные, либо материалы на основе комплексов платины или иридия, которые крайне дороги. Сейчас происходит поиск новых материалов на основе серебра, меди, золота. В целом это очень широкая область исследований, куда вовлечены химики, занимающиеся органической химией, координационными элементоорганическими соединениями, полимерной химией. Фактически все химические специальности так или иначе вовлечены в процесс поиска новых материалов для OLED-устройств.

― Вы упоминали материалы на основе лантаноидов, которые при изменении температуры могут изменять и цвет своей люминесценции. Расскажите о них.

― Здесь нужно объяснить, что такое координационные соединения лантаноидов. Это очень интересный класс материалов. В них есть центральный неорганический ион, окруженный «шубой», оболочкой химически связанных молекул, называемых лигандами. Лиганды могут быть неорганическими, но в нашей лаборатории мы занимаемся синтезом и исследованием именно органических лигандов. Прелесть этих соединений в том, что мы можем увеличить коэффициент поглощения света в десятки тысяч раз по сравнению с самими лантаноидами.

Органическая часть молекулы будет передавать энергию в центральный ион, который и излучает свет. А процесс передачи этой энергии зависит,  в том числе и от температуры. В нашей лаборатории совместно с учеными из Института элементоорганических соединений и с нашими коллегами из Франции и Португалии были исследованы новые материалы на основе тербия и европия. Это два наиболее ярко люминесцирующих иона лантаноидов. Физика люминесцентного процесса в них такова, что передача энергии между ионами европия и тербия сильно зависит от температуры. Когда мы меняем температуру окружающей среды, то либо возбуждаем только один ион тербия, либо энергия проскакивает через ион тербия и передается дальше на ион европия. А цвет свечения меняется с зеленого на красный, со всеми промежуточными цветами.

Если использовать такие методы, как запись и анализ спектров, то с помощью этого эффекта можно с точностью в доли градуса измерять температуру. Мы создали достаточно удачный термометр, работающий, правда, пока только при низких температурах, приблизительно при 100 К ― это температура жидкого азота. Но зато он обладает очень высокой чувствительностью. Преимущество подобных термометров заключается в том, что мы можем пользоваться им дистанционно — просто нанести слой на какую-то деталь и удаленно, светя лучом лазера или специальной лампы, регистрируя обратное излучение, мерить температуру в вакууме, в космосе. Материал, который нам удалось получить и протестировать, показывает одни из лучших характеристик в своем классе.

― Поделитесь с нами чем-то, чем бы вы, может быть, хотели похвастаться, важным и ценным результатом новой работы.

― Ну, мне кажется, похвастаться ― это не самая удачная формулировка для научной работы. Но тем не менее я думаю, что у нас есть несколько интересных результатов. Во-первых, мы уже несколько лет подряд в рамках проекта Российского научного фонда занимаемся исследованиями связи структуры органической части молекул с эффективностью люминесценции. Мы смогли исследовать несколько классов комплексов, показать, каким образом структура влияет на люминесцентные свойства. В определенных рамках мы можем направленно регулировать эти свойства и получать эффективные материалы. Мы понимаем, какая часть молекул за что отвечает, как они работают. Теперь нет необходимости перебирать бесконечное количество материалов.

Другая интересная работа ― в области органических красителей для электролюминесценции. Мы несколько лет взаимодействуем с Институтом органической химии и сейчас нашли некоторое количество любопытных красителей, имитирующих в светодиодах пламя свечи. Почему это важно? Существует проблема синего излучения в обычных лампах или экранах, которое вредно для сетчатки, вызывает ее деградацию и потенциально потерю зрения. Нам удалось найти красители, которые при достаточной яркости люминесцируют так, что в спектре практически нет синих компонентов. Это путь к созданию безопасных для глаз органических светодиодов.

Наконец, у нас есть успехи в области сенсорных материалов. Моими коллегами разработаны и протестированы материалы неорганических ионов, позволяющих эффективно определять небольшие концентрации цинка люминесцентным образом. Возможно, это будет некий наш вклад в лабораторную диагностику, в биомедицинскую химию.

Корреспондент Никита Ланской
Фотограф Елена Либрик
Оператор Дмитрий Самсонов

Источник - https://scientificrussia.ru

В 2020 году в России при поддержке РВК и Минцифры запустились программы Лидирующих исследовательских центров. В рамках одной из них Российский квантовый центр совместно с ФИАН им. П. Н. Лебедева, Сколковским институтом науки и технологий и ФТИАН им. К. А. Валиева приступил к проекту по созданию ионного квантового процессора с облачным доступом. О том, с какими сложностями столкнулась команда, как шла работа над проектом и что ждет область отечественных квантовых технологий, рассказал Алексей Федоров, руководитель научной группы «Квантовые информационные технологии» Российского квантового центра.

Сегодня о разработке отечественных квантовых компьютеров говорят практически ежедневно. Область квантовых вычислений переживает колоссальный рост: крупнейшие вузы и научные центры регулярно делятся успехами по наращиванию вычислительной мощности квантовых устройств и повышению точности их операций. Если пять лет назад эта область традиционно воспринималась фундаментальной наукой, то сегодня мы все чаще говорим о прикладных применениях, пилотных проектах и трансфере научных разработок в технологические продукты. Предлагаю начать разбор с основ: что такое квантовые вычисления, на чем они построены и о каких платформах все постоянно говорят в связке с ними.

От простого к сложному

Как мы знаем, минимальная единица информации в классических вычислениях — это бит. И в каждый конкретный период времени бит может принимать значение 0 или 1. Все операции, что мы совершаем на наших ПК, будь то интернет-серфинг, майнинг криптовалюты, компьютерная игра или просмотр фильма — все это на самом деле последовательность нулей и единиц, так воспринимает информацию устройство.

Прототип ионного квантового процессора ФИАН-РКЦ.

Квантовые устройства оперируют квантовыми «аналогами» битов информации — кубитами, которые способны одновременно находиться сразу в двух состояниях: и в 0, и в 1. Эта способность достигается за счет явления квантовой суперпозиции. Именно суперпозиция и еще одно квантовое явление — квантовая запутанность — позволяют квантовым компьютерам решать определенные задачи экспоненциально быстрее. Примерами таких задач являются криптоаналитика, моделирование сложных систем, обработка больших данных (big data).

Квантовые компьютеры могут работать на разной физике: это привычные полупроводниковые технологии, а также сверхпроводники, атомы, ионы и фотонные системы. На данный момент еще не очевидно, какая из платформ станет лидером, поэтому ученые развивают процессоры на каждой. Возможно, что для разных классов задач специалисты будут использовать различные квантовые вычислительные устройства, и выбор в пользу той или иной платформы будет осуществляться исходя из ее сильных сторон.

Ионы во главе угла

Одной из наиболее перспективных систем считаются ионы в ловушках. Именно эта система была предложена в качестве одной их первых физических реализаций квантового компьютера, так называемой модели Сирака-Цоллера. Также с использованием ионов была показана первая двухкубитная операция: в эксперименте 1995 года участвовал будущий Нобелевский лауреат Дэвид Вайнленд и будущий сооснователь компании-единорога IonQ Кристофер Монро.

При использовании ионов информация может кодироваться в их внутренние электронные состояния. Упростим максимально, чтобы разобраться в сложной теме: так, если электрон иона находится на одной орбите — это 0, если он возбуждается и перескакивает на другую орбиту — это 1. Управлять состоянием иона можно с помощью лазеров. Благодаря тому,  что ион обладает электрическим зарядом, его можно поймать и «подвесить» во внешнем электромагнитном поле — ионной ловушке. Ученые  используют их, чтобы наращивать мощность квантовых компьютеров за счет увеличения числа частиц.

По ряду характеристик ионные кубиты считаются лидерами: время когерентности и качество операций в них значительно выше, чем в других платформах. Однако одним из вызовов является масштабируемость: так, если ионов в ловушке становится слишком много, они начинают «расталкивать» друг друга, и качество операций падает. На старте проекта Лидирующего исследовательского центра именно эта проблема стала ключевой.

От кубитов к кудитам

Результатом трехлетней работы ученых ФИАН и РКЦ стало создание прототипа ионного компьютера. В конце 2021 года была показана система из четырех кубитов, а в конце 2022 — прототип пятикубитного ионного квантового процессора.

Прототип квантового процессора состоит из большого количества подсистем. Условно всю работу можно разделить на несколько этапов:

• Ионы необходимо подготовить для кодирования информации. Для этого происходит многоступенчатый процесс охлаждения и их поимка в ловушку.
• Важно обеспечить возможность совершать индивидуальные операции с отдельными ионами. Здесь речь идет об однокубитных операциях.
• Для обмена квантовой информацией нужно организовать взаимодействие между ионами.
• Наконец, для получения результата необходимо считать состояние ионов.

Ключевой особенностью российского квантового процессора стало использование многоуровневых квантовых систем — кудитов. В отличие от кубитов, кудиты способны одновременно находиться в трех (кутриты), четырех (кукварты) и более состояниях сразу. В конце 2021 года российские физики построили систему из 2 куквартов, что полностью эквивалентно 4 кубитам. То есть вместо того, чтобы перепутывать 2 кубита со всеми сложностями этого процесса, можно взять один ион, в котором электрон может переходить не между двумя, а между четырьмя орбитами.

Как показали исследования, использование кудитов может улучшить масштабируемость и/или сократить сложность реализации квантовых операций за счет применения дополнительных уровней для хранения информации. Таким образом можно минимизировать количество межчастичных (двухкубитных) операций, качество которых обычно ниже, чем однокубитных.

Схема кодирования уровней ионного кудита

За последние несколько лет интерес к ионным кудитам резко вырос. В 2021–2022 годах в мире было продемонстрировано несколько кудитных процессоров: на основе ионов в России и в Австрии, два процессора на основе сверхпроводников в США (в том числе, компанией Rigetti), а также на основе фотонов Университетом Пекина. Можно смело сказать, что по такому оригинальному способу реализации квантовых процессоров Россия вошла в число пионеров.

Проблемы и их решения

Несмотря на то, что сегодня ресурсов квантового компьютера не хватает для решения осмысленных задач на уровне современных суперкомпьютеров, существующие платформы можно использовать для изучения квантовых алгоритмов и их устойчивости к ошибкам.

Совместная команда ученых из РКЦ и Сколтеха провела исследования по использованию ионного квантового процессора для реализации вариационных квантовых алгоритмов. Идея состоит в том, чтобы с помощью квантового процессора готовить определенные состояния, параметры которых итеративно меняются для оптимизации некоторого значения, например, энергии. Сегодня вариационные квантовые алгоритмы используются, например, в задачах квантовой химии. В ходе проекта ученым удалось доказать, что вариационная модель квантовых вычислений является универсальной.

Препятствием для решения полезных задач с помощью квантовых компьютеров является декогеренция, то есть процесс потери взаимодействия отдельных частиц в системе. Вспомним алгоритм работы квантовых вычислительных устройств. Необходимо приготовить регистр в определенных начальных квантовых состояниях, провести для них набор квантовых логических преобразований, а в конце произвести измерение. В ходе всех этих шагов — приготовления, манипуляций и измерений — могут возникать ошибки, поэтому реальное поведение квантовой системы может сильно отличаться от наших предположений.

Как в таком случае понять, какие именно состояния приготавливаются и какие именно квантовые преобразования выполняются? Здесь вперед выходит та сама задача характеризации квантовых состояний и процессов, то есть получения полной информации о них. Решением такой задачи в ходе проекта занималась группа во ФТИАН им. К. А. Валиева. В частности, команде удалось разработать методы квантовой томографии — полного восстановления квантовых состояний — для кудитов.

Пользоваться прямо сейчас

Несмотря на то, что квантовые компьютеры начинают продаваться как пользовательские устройства, гораздо более распространенный способ работы с ними — облачный доступ. Именно поэтому разработанный ионный квантовый процессор интегрирован в облачную платформу квантовых вычислений.

Пользовательский интерфейс облачной платформы квантовых вычислений

С использованием облачной платформы можно реализовать уже заготовленные квантовые алгоритмы: например, алгоритмы Гровера и Бернштейна-Визарани. Кроме того, можно создавать свои собственные квантовые алгоритмы и запускать их с помощью эмулятора квантовых вычислений или ионного квантового процессора. Программирование квантовых процессоров с помощью платформы уже было представлено в образовательных целях. Например, на Конгрессе молодых ученых в Сочи в рамках проекта «Урок цифры».

Созданная в ходе проекта ЛИЦ платформа квантовых вычислений не только показала быстрый прогресс в области ионных квантовых вычислений в России, но и заложила основу для будущего развития в этой области. Ионы остаются одной из лидирующих платформ в рамках Дорожной карты по квантовым вычислениям в России, а также продолжают приковывать интерес мирового научного сообщества. Естественный следующий шаг — масштабирование по количеству ионов с учетом возможности кудитного подхода, а также увеличение качества квантовых операций.

Как показывают исследования, на масштабе 50-70 кубитов, то есть 25-35 ионных куквартов, уже можно будет решать задачи на грани возможностей традиционных процессоров. Значит, по-настоящему полезное квантовое превосходство совсем близко.

Источник - https://hightech.plus/2022/12/28/vichislitel-budushego-kak-ustroen-pervii-rossiiskii-kvantovii-processor

30 декабря на трассе ФИАН пройдут соревнования городского округа Пущино по лыжным гонкам. Приглашаются все желающие жители города от 11 лет и старше, независимо от уровня подготовки.

Дистанции – 1,5 км (девушки, юноши 11 лет), 2 км (девушки, юноши 12-13 лет), в остальных возрастных категориях дистанция на выбор 2 или 4 км.

Стиль хода свободный.

Начало 30 декабря в 17:00 на трассе ФИАН.

Заявки принимаются до 16:30 30 декабря 2022 на WhatsApp 8(916) 422-86-33, или по телефонам: 8(916) 422-86-34 – Алексей Анатольевич Шешелев, 8(916) 422-86-33 – Тамара Николаевна Шешелева.

Источник - https://inpushchino.ru/news/fizkultura-i-sport/v-puschine-sostoitsja-novogodnjaja-lyzhnja

МОСКВА, 27 декабря. /ТАСС/. Большая золотая медаль имени М. В. Ломоносова - высшая научная награда Российской академии наук (РАН) - за 2022 год присуждена в номинации "физиология": ее удостоились российский биолог, академик Юрий Наточин и его британский коллега, иностранный член РАН Денис Нобл. Процедура присуждения состоялась во вторник на заседании президиума РАН.

Вице-президент РАН Валерий Козлов представил академика Наточина. "Отмечу два момента. Он выявил механизм изменения водно-солевого обмена у космонавтов, и эта методика до сих пор действует и очень актуальна. А также он предложил способ нормализации водно-солевого обмена при ишемическом инсульте, что позволило снизить летальность почти вдвое. Отмечу еще, что он был организатором медицинского факультета, и многие годы руководил там кафедрой, в Санкт-Петербургском госуниверситете", - сказал Козлов.

Иностранный кавалер медали Денис Нобл - британский ученый. "Его деятельность в физиологии - пример междисциплинарного подхода. Он занимается математическим моделированием физиологии. Наиболее известное его достижение - математическая модель, которая моделирует электрические явления в сердце и, в частности, в клетках рабочего миокарда и водителя ритма", - отметил академик Козлов.

Большая золотая медаль имени Ломоносова присуждается президиумом РАН ежегодно одному российскому и одному иностранному ученому в номинации одной из естественных либо гуманитарных наук.

Золотые медали и премии

На этом же заседании состоялось присуждение других академических наград. Золотая медаль имени В. А. Фока, которой награждаются математики и физики-теоретики, присуждена профессору Санкт-Петербургского госуниверситета Михаилу Брауну за труды в области физики элементарных частиц и квантовой теории поля. Золотая медаль имени Н. И. Вавилова присуждена академику Игорю Тихоновичу за цикл работ "Симбиогенетика - растительно-микробное взаимодействие".

Золотая медаль имени В. И. Вернадского присуждена академику Михаилу Кузьмину за труды по изучению связи глубинных процессов и климата Земли. Золотая медаль имени Е. М. Примакова присуждена академику Алексею Васильеву за монографии "От Ленина до Путина: Россия на Ближнем Востоке" и "Король Фейсал: личность, эпоха, вера".

В области сельскохозяйственных наук золотая медаль имени В. П. Горячкина присуждена академику Михаилу Ерохину за работы по теоретическим основам обеспечения надежности, долговечности, износостойкости и прочности сельскохозяйственной техники. Премия имени Л. К. Эрнста присуждена авторскому коллективу под руководством академика Натальи Зиновьевой за труд по генетическому совершенствованию ресурсов сельскохозяйственных животных на основе развития и внедрения молекулярно-генетических и биотехнологических методов.

Также состоялось присуждение премии РАН за лучшие работы по популяризации науки 2022 года. Премии удостоился сотрудник ФИАН Алексей Семихатов за научно-популярную книгу "Все, что движется. Прогулки по беспокойной Вселенной. От космических орбит до квантовых полей". За лучший научно-популярный подкаст премия присуждена авторскому коллективу подкаста "Биолог на перепутье": Антон Чугунов, Вера Башмакова, Галина Вирясова, Медер Иманалиев и Любовь Колосовская. В номинации "Лучший художник, иллюстратор, дизайнер" лауреатами стали главный художник журнала "Квантик" Альберт Гарафутдинов, художники Мария Усейнова и Алексей Федяков

Источник - https://nauka.tass.ru/nauka/16697735

Разработка МРТ-томографов мощностью в полтора Тесла Физического института им. П.Н. Лебедева (ФИАН) — яркий пример того, что наша страна идет уверенными шагами по пути к достижению научно-технологического суверенитета. Но уже сейчас ученые задумываются о том, как их усовершенствовать, чтобы сделать еще более качественными и при этом доступными. Какие задачи сейчас стоят перед научным сообществом рассказал директор ФИАН член-корреспондент РАН Н.Н. Колачевский в прямом эфире заседания Научного совета РАН «Науки о жизни» в МИА «Россия сегодня».

«С моей точки зрения, вопросы томографии сейчас существенно перешли в плоскость программного обеспечения: гонка по распознаванию образов, отклонений от норм, уточнения деталей. Это одно из направлений, в котором нам нужно развиваться», — говорит Н.Н. Колачевский.

Другая задача — томография с контрастированием. «Это не только технический вопрос, но и медицинский. Необходимо, чтобы контрастирование было биологически совместимо с организмом человека — чтобы не вредило здоровью, при этом улучшало качество диагностики», — говорит он.

Основной блок развития связан с оптимизацией технических характеристик: уменьшение количества употребляемого жидкого гелия, усовершенствование системы охлаждения, поиск и разработка отечественных  систем приемных катушек, систем усилителей и т.д.

Так как Россия имеет огромные территории, не везде доступен быстрый сервис томографов, жидкий гелий, необходимо учитывать ряд аспектов при транспортировке, это тоже требует отдельного внимания. Необходима разработка системы, которая будет учитывать специфику нашей страны.

«Перед нами большой пласт для дальнейшего прогресса. Но одна из важнейших задач на сегодня — чтобы уже в ближайшие годы в наших поликлиниках появились отечественные томографы», — говорит Н.Н. Колачевский. 

Источник - https://scientificrussia.ru/partners/fian/direktor-fian-n-kolacevskij-razrabotannye-otecestvennye-mrt-tomografy-budut-soversenstvovatsa

https://www.kommersant.ru/doc/5734146

https://t.me/obrazovanie_press/1416

13 декабря 2022 года в 10.00 состоится заседание президиума РАН. Главная тема – 100-летие академика Н.Г. Басова.

Заседание начнется с вступительного слова президента РАН Г.Я. Красникова и вице-президента РАН В.Я. Панченко.

Прозвучат доклады:

• «Н.Г. Басов у истоков квантовой технологической революции». Директор ФИАН член-корреспондент РАН Н.Н. Колачевский;
• «Лазерный термоядерный синтез». Генеральный конструктор по лазерным системам – зам. директора ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ» академик С.Г. Гаранин;
• «Роль Н.Г. Басова в формировании региональных научных школ». Вице-президент РАН, председатель ДВО РАН Ю.Н. Кульчин;
• «Н.Г. Басов. Все остается людям». Ректор Национального исследовательского ядерного университета «МИФИ» В.И. Шевченко. 

В фойе Президентского зала РАН ФИАН организовал выставку, посвященную 100-летию со дня рождения выдающегося русского физика и организатора науки, лауреата Нобелевской премии по физике академика Николая Геннадиевича Басова. На выставке представлены:

• уникальные документы - заграничный паспорт, профсоюзный билет, текст нобелевской лекции (11 декабря 1964 г.), тетрадь с лекциями, личные записи ученого и др.;
• системы и приборы - инжекционные лазеры, квантовые каскадные лазеры, активный элемент лазера на парах меди ГЛ-204, усилитель «ГОС 1001» установки «Дельфин», рабочее тело рубинового лазера и др.;
• печатные издания - книга-альбом «Николай Геннадиевич Басов. К 100-летию со дня рождения», 2-е издание, расширенное, книга «Н.Г. Басов и исследования по квантовой радиофизике в Физическом институте им. П.Н. Лебедева (ФИАН)».

Источник: Официальный сайт Физического Института имени П.Н.Лебедева

https://obrazovanie.press/card/d5de39a8-7977-4e3c-b466-a81bfa711eab

Разработка МРТ-томографов мощностью в полтора Тесла Физического института им. П.Н. Лебедева (ФИАН) — яркий пример того, что наша страна идет уверенными шагами по пути к достижению научно-технологического суверенитета. Но уже сейчас ученые задумываются о том, как их усовершенствовать, чтобы сделать еще более качественными и при этом доступными. Какие задачи сейчас стоят перед научным сообществом рассказал директор ФИАН член-корреспондент РАН Н.Н. Колачевский в прямом эфире заседания Научного совета РАН «Науки о жизни» в МИА «Россия сегодня».

«С моей точки зрения, вопросы томографии сейчас существенно перешли в плоскость программного обеспечения: гонка по распознаванию образов, отклонений от норм, уточнения деталей. Это одно из направлений, в котором нам нужно развиваться», — говорит Н.Н. Колачевский.

Другая задача — томография с контрастированием. «Это не только технический вопрос, но и медицинский. Необходимо, чтобы контрастирование было биологически совместимо с организмом человека — чтобы не вредило здоровью, при этом улучшало качество диагностики», — говорит он.

Основной блок развития связан с оптимизацией технических характеристик: уменьшение количества употребляемого жидкого гелия, усовершенствование системы охлаждения, поиск и разработка отечественных  систем приемных катушек, систем усилителей и т.д.

Так как Россия имеет огромные территории, не везде доступен быстрый сервис томографов, жидкий гелий, необходимо учитывать ряд аспектов при транспортировке, это тоже требует отдельного внимания. Необходима разработка системы, которая будет учитывать специфику нашей страны.

«Перед нами большой пласт для дальнейшего прогресса. Но одна из важнейших задач на сегодня — чтобы уже в ближайшие годы в наших поликлиниках появились отечественные томографы», — говорит Н.Н. Колачевский.

Источник: пресс-служба РАН

Приведет ли к прорыву в освоении термоядерной энергии успех ученых Ливерморской лаборатории США, и почему этот результат больше обрадует военных, чем энергетиков, RTVI рассказал главный научный сотрудник Физического института Академии наук (ФИАН) Сергей Гуськов.

Будущие успехи в управляемом термоядерном синтезе для энергетики многие связывали со строительством в Европе с участием России установки ИТЭР. Однако первое в истории положительное превышение выхода энергии было достигнуто в Ливерморской лаборатории США. Это было ожидаемо?

Да, это был ожидаемый результат. Американские ученые шли к этому 12 лет, последовательно увеличивая выход энергии в термоядерных микровзрывах своих экспериментов.

В чем принципиальные отличия двух схем эксперимента?

Это два разных способа удержания плазмы. В ИТЭРе используется магнитный способ удержания плазмы, в экспериментах Ливерморской лаборатории — инерциальный способ. В основе проекта ИТЭР лежит концепция установки ТОКАМАК (предложенной в начале 50-х годов советскими учёными А.В. Сахаровым и И.Е. Таммом), согласно которой в камере тороидальной формы плазменный шнур создается протекающим через него током и дополнительно нагревается высокочастотным излучением и пучками нейтральных атомов. Магнитное удержание может обеспечить квазистационарное протекание реакции: при плотности плазмы около 10¹⁴ на 1 см^-3 время удержания составляет секунды.

Инерциальный способ предполагает создание термоядерной плазмы за счет столкновения высокоскоростных потоков вещества в центре сферической мишени, а необходимое для зажигания число реакций синтеза должно произойти за время разлета сжатого и нагретого таким образом вещества. Инерциальный способ относится к импульсному режиму термоядерного горения. Использование излучения лазера для реализации инерциального способа создания и удержания плазмы было предложено Н.Г. Басовым в 1961 году. Таким образом, оба направления магнитное и инерциальное с использованием лазера зародились в Физическом институте им. П.Н. Лебедева.

Басов предложил использовать способность лазера концентрировать в очень малых объемах вещества очень большое количество энергии для создания термоядерной плазмы. При таком способе происходит сжатие очень маленькой сферической мишени с радиусом около 1-2 мм и массой около нескольких миллиграммов. Вещество разгоняется к центру такой мишени до скорости, превышающей 300 км/с и сжимается до плотности 10²⁶ частиц на сантиметр кубический. Это на 12 порядков больше, чем на токамаке! Но удерживается эта плазма в момент удара в центре всего лишь десятки пикосекунд.

Lawrence Livermore National Laboratory

Это символично, поскольку в эти дни в России отмечают 100-летие Басова. А в чем преимущества и недостатки обеих схем?

Главная физическая проблема обоих способов — это неустойчивости процессов, лежащих в основе создания плазмы. В магнитном удержании — это плазменные неустойчивости. В инерциальном — это гидродинамические неустойчивости. Поэтому сжимать мишень необходимо очень аккуратно, обеспечивая высокую степень сферической симметрии воздействия.

Главная техническая проблема — это утилизация термоядерной энергии, которая в реакции изотопов водорода — дейтерия и трития — выделяется в виде энергии альфа-частиц (3.5 МэВ) и нейтронов (14.1 МэВ). Представляется, что в случае лазерного термоядерного синтеза собрать эту энергию окажется легче, поскольку лазер располагается далеко от области выделения энергии.

Расскажите подробнее про американскую схему?

На установке Ливерморской лаборатории имеются 192 лазерных пучка с общей энергией около 2 МДж, которые вводятся в так называемый конвертор — устройство, преобразующее лазерное излучение в рентгеновское. Конвертор представляет собой цилиндр из золота длиной около 9 и диаметром около 6 миллиметров. На торцах цилиндра есть специальные отверстия, через которые вводятся лазерные пучки. Пучки фокусируются на внутренней поверхности этого цилиндра, а в середине конвертора находится термоядерная мишень.

Мишень представляет собой полую оболочку, которая состоит из двух основных элементов — внешнего слоя, так называемого аблятора и намороженного на его внутреннюю поверхность слоя дейтерий-тритиевого льда. Внешняя часть аблятора нагревается рентгеновским излучением, которым заполнен конвертор, до очень высоких температур — около 1 кэВ (около 10 млн. градусов). В результате на поверхности мишени образуется давление порядка 50 мегабар (50 млн. атмосфер). Это громадное давление за короткое время (несколько наносекунд) сжимает неиспаренную часть мишени, включая дейтерий-тритиевое горючее к центру.

В качестве вещества аблятора используется либо пластик, либо бериллий, в последнее время используется углерод повышенной плотности, грубо говоря — алмаз. Радиус всей мишени около одного миллиметра, толщины аблятора и слоя дейтерий-тритиевого льда составляют около 100 мкм.

Очень напоминает знаменитую сахаровскую «слойку» — схему водородной бомбы.

Да, эти схемы имеют один общий инерциальный подход, основанный на использовании рентгеновского излучения. Происхождение рентгеновского излучения разное. В лабораторном эксперименте слой дейтерия и трития ускоряется и летит внутрь мишени, где происходит столкновение плазменных потоков и возникают условия для термоядерного горения — образуется дейтерий-тритиевая плазма с температура около 7 килоэлектронвольт и плотностью около 100 г/куб.см. Вещество летит к центру в течение 3-4 наносекунд, а время удержания и горения плазмы в 100 раз меньше -20-40 пикосекунд. При инерциальном способе удержания дейтерий-тритиевую плазму надо очень сильно сжать, чтобы за короткое время удержания успело произойти необходимое количество реакций синтеза. В последнем эксперименте Ливерморской лаборатории произошло около 10¹⁸ реакций синтеза.

Lawrence Livermore National Laboratory

Как меряют энергию на выходе?

Энергия, как я говорил, содержится в альфа-частицах и нейтронах. Нейтроны тормозятся в веществе значительно слабее заряженных альфа-частиц. Они все покидают мишень. Поэтому по измерению числа нейтронов определяется число произошедших реакций синтеза и, следовательно, выделившаяся в этих реакциях энергия.

Энергия, выделившаяся в американском эксперименте, 3 МДж, действительно превзошла энергию лазерных пучков (2МДж). Но для генерации этих пучков потребовалось в сто раз больше энергии. То есть до получения действительно положительного выхода реакции еще далеко?

Да, это так. Это одна из тех проблем, которые в этой схеме нужно будет решать, поскольку КПД лазера, который американцы использовали, меньше 1%. Пока система накачки этого неодимового лазера неэффективна. Но ученые знают, что надо делать, и они работают в этом направлении. Нужно накачивать лазер — создавать инверсную населенность — с помощью излучения полупроводниковых диодов. Диодная накачка позволит повысить КПД лазера в в десятки раз.

Каковы перспективы извлечения мирной энергии в этой схеме и в ИТЭРе?

Вообще говоря, то, что сейчас американцы сделали, к реальной энергетике пока имеет не очень большое отношение. Для энергетического использования надо будет решить много технических проблем, в том числе тех, о которых мы говорили — диодная накачка, утилизация выделяющейся энергии и другие. А вот то, что они продемонстрировали в рентгеновской схеме сжатие мишени и зажигание реакции — это действительно выдающийся фундаментальный результат, который имеет очень серьезные, в первую очередь, военные приложения, особенно учитывая мораторий на испытания ядерных зарядов.

Об этом открытии действительно многие СМИ написали в военном контексте, да и сама Ливерморская лаборатории принадлежит Министерству энергетики США, то есть по сути военным...

В американской прессе мы действительно можем увидеть высказывания ряда известных людей в этой области, которые говорят, что главный результат это не энергетический, в смысле энергетики будущего, а прикладной — для исследования рентгеновского сжатия вещества и поджига термоядерной реакции. Речь идет о том, что в этих экспериментах можно моделировать ряд процессов, которые происходят в реальных взрывных устройствах.

А разве процессы слияния ядер водорода не просчитаны еще 70 лет назад Сахаровым и коллегами?

Важное значение имеет масштаб того устройства, которое мы обсуждаем. Если есть большое устройство, то там одна иерархия процессов, в том числе рентгеновских. Если размеры меньше, что всех как раз интересует, это другая иерархия процессов. Поэтому установка типа Ливерморской — это инструмент исследования законов подобия — масштабирования — процессов рентгеновского зажигания. На разных уровнях масштабирования — это решение целого комплекса научных и технических задач. А основные принципы рентгеновского зажигания, действительно, были сформулированы ранее, в том числе А.Д. Сахаровым.

Lawrence Livermore National Laboratory

Можно ли говорить, что США благодаря этим экспериментам получили некоторое преимущество в военном отношении?

Конечно, ведь они получили инструмент, с помощью которого они много чего интересного посмотрят, научившись сжимать и поджигать такие мишени. Собственно, эти исследования и строительство этой установки преследовало в первую очередь цели, относящиеся к военным приложениям.

Расскажите об аналогичных работах в России и других странах?

После разрухи 90-х годов в стране многое сделано, чтобы сократить отставание в этой критически важной технологии, хотя это было очень непросто. И сейчас в России строится установка с параметрами, даже превосходящими ливерморскую машину. Строится эта установка в Российском Федеральном Ядерном Центре ВНИИЭФ в Сарове. В ней тоже используется неодимовый лазер, энергия которого будет примерно такая же, как у американцев. Эту установку, согласно опубликованным данным, планируется ввести в строй в 2028 году. Если бы не было лихих 80-х и 90-х, то, конечно, конкуренция с американцами была бы более острая, к этому были все основания .

Архитектура строящейся российской установки схожа с американской. Но есть и свои особенности, связанные, например, с тем, что там будет использоваться сферический конвертор. Такой конвертор улучшает симметрию обжатия термоядерной мишени, но в него сложнее ввести лазерные пучки, чем в цилиндрический. Это очень перспективная схема, поскольку для того, чтобы эффективно сжать мишень нужно очень симметрично нагреть ее рентгеновским излучением. Кроме того, система расположения лазерных пучков саровской установки позволит проводить эксперименты не только при облучении мишени рентгеновским излучением (непрямое сжатие), но и при ее облучении непосредственно лазерными пучками (прямое сжатие) — без преобразования лазерного излучения в рентгеновское.

Кроме того, во Франции создается установка LMJ. Это просто близнец американской установки, по образу и подобию которой ее и строили. Насколько я знаю, сейчас эта установка дает около 300 кДж лазерной энергии, в шесть раз меньше, чем американская.

Крупная установка, тоже на неодимовом стекле, строится в Китае.

О создании термоядерного реактора для энергетики ученые мечтают более полувека. Во Франции создается ИТЭР, в который вложено свыше €20 млрд. Если предположить, что настанет тот день, когда первый термоядерный реактор даст первый промышленный ток, то какого типа будет этот реактор?

В США достигнуто зажигание на основе инерциального удержания плазмы в лабораторных условиях. Получен энергетический выход, превосходящий вложенную лазерную энергию. Сам принцип создания и инерциального удержания плазмы с использованием лазерного излучения был подтвержден, ИТЭР пока такого результата не дал. Отталкиваясь от этих двух обстоятельств можно предположить, что у лазерного термоядерного синтеза имеются большие перспективы в развитии термоядерной энергетики.

Павел Котляр

https://rtvi.com/stories/mirnyj-termoyad-dlya-voennyh-v-chem-smysl-livermorskogo-proryva/