Какие молодежные лаборатории работают при нижегородском Институте прикладной физики

Восемь молодежных лабораторий работают при Федеральном исследовательском центре «Институт прикладной физики Российской академии наук»( ФИЦ ИПФ РАН). Из них три были открыты осенью 2021 года, остальные работают с 2019 года. Такие лаборатории создают в рамках проекта «Наука и университеты». Чтобы получить субсидию на открытие лаборатории, организации должны пройти конкурсный отбор. По условиям, руководитель лаборатории и две трети коллектива должны быть моложе 40 лет. Что изучают молодежные лаборатории ФИЦ ИПФ РАН — в специальном проекте «Ъ-Приволжье» к Дню российской науки.

Лаборатория источников и приложений мощного терагерцового излучения Института прикладной физики

Старший научный сотрудник лаборатории Антон Седов, кандидат физико-математических наук

— Мы ежедневно пользуемся приборами, которые либо излучают, либо принимают радиоволны — телевидение, радио, сотовые телефоны, Wi-Fi. При этом частоты, на которых они работают, постоянно повышаются. Например, частоты Wi-Fi постоянно увеличиваются: сначала он работал на частоте 2.5 ГГц, потом – 5ГГц, а сейчас уже появились современные роутеры, работающие на частоте 10 ГГц. И возникает вопрос – как высоко мы можем подняться по этой «частотной» лестнице, какие приборы можно разработать и для решения каких задач применить?

Не каждый существующий в науке источник электромагнитных волн может работать в терагерцовом диапазоне частот. Но, например, гиротроны (электровакуумный СВЧ-генератор.— «Ъ») и другие гироприборы можно более-менее успешно применять. Разработкой таких инструментов мы и занимаемся.

Мы пытаемся продвинуться дальше в терагерцовый диапазон частот и найти возможные применения новым источникам мощного излучения. Например, совместно с отделом миллиметровой спектроскопии ИПФ РАН с помощью мощного терагерцевого излучения мы исследовали спектры различных веществ и получили ряд уникальных результатов.

Проводили эксперименты по созданию нанопорошков оксидов металлов. За счет своего мелкого размера и большей концентрации эти вещества могут быть наиболее эффективными катализаторами химических реакций.

В ближайшее время мы планируем развивать применение терагерцового излучения для медицинских задач. У нас есть небольшой задел в этой области, планируем его расширить.

Лаборатория диагностики радиационных дефектов в твердотельных наноструктурах Института физики микроструктур (ИФМ)

Заведующий лабораторией Павел Юнин, кандидат физико-математических наук

— Современная наука о материалах занимается поиском и оптимизацией новых материалов и объектов, стараясь установить для них фундаментальные связи «получение» - «структура» - «свойства». Понимание этих связей позволяет контролируемо получать объекты с заданной структурой и желаемыми свойствами, полезными для практического применения.

Нашей задачей является второе звено в этой цепочке – исследование структуры и состава искусственно изготовленных нанообъектов, которые являются основой для работы почти всех современных приборов.

Какой бы совершенной ни была искусственно созданная человеком наноструктура, она всегда будет иметь дефекты. Часто именно они будут ограничивать возможности работы прибора. В ряде случаев дефекты возникают в процессе эксплуатации прибора под воздействием температуры, солнечного света, ионизирующего излучения, и приводят к его выходу из строя.

В Нижегородской области есть много организаций, занимающихся изготовлением структур, которые должны быть устойчивыми к воздействиям ионизирующих излучений, например, в условиях космоса. Поэтому наша задача как исследователей – проводить диагностику таких структур и выяснять, каким образом формируются дефекты под воздействием внешних факторов и как можно это негативное влияние уменьшить.

В рамках деятельности лаборатории нам хотелось бы не только получить новые научные результаты, но и принести пользу научно-производственным предприятиям.

Лаборатория основ наноэлектронной компонентной базы информационных технологий ИФМ

Заведующий лабораторией Денис Савинов, кандидат физико-математических наук

— Исследования лаборатории связаны с развитием физических принципов создания новых технологичных элементов на основе сверхпроводниковых, полупроводниковых и магнитных наноструктур, а также с разработкой многослойных зеркал для рентгеновской литографии.

Наноструктуры широко используются в области информационных технологий, в том числе – для создания устройств хранения и обработки данных. Технологии постоянно развиваются, например, прослеживаются тенденции к уменьшению размеров элементов, повышению производительности вычислительных устройств.

Чтобы изготовить более миниатюрные микросхемы, необходима литография. Однако у этой технологии есть ряд проблем. Мы в лаборатории занимаемся поиском решений, чтобы преодолеть эти ограничения.

Также мы занимаемся изучением наноструктур из кремния — основного материала электроники, разрабатываем специальные методики диагностики наноструктур. Кроме того, проводим исследования по созданию твердотельных источников и детекторов излучения терагерцевого диапазона. Такие устройства могут применяться в системах связи, для мониторинга окружающей среды, медицинской диагностики. Сейчас мы занимаемся разработкой терагерцового спектрометра для газового анализа. Такое оборудование может применяться, например, для ранней диагностики патологий, включающих онкологические заболевания.

Лаборатория лазеров с экстремальными параметрами ИПФ

Заведующий лабораторией Иван Мухин, кандидат физико-математических наук

— Наша лаборатория занимается исследованиями в области создания лазеров с уникальными параметрами. Одно из направлений связано с развитием компонентной базы для таких масштабных фундаментальных проектов, как XCELS (Экзаваттный центр для изучения экстремальных световых полей). Сам проект направлен на создание лазерной установки, которая будет обеспечивать пиковую мощность излучения в экзаваттном диапазоне – на два порядка выше, чем генерируют все существующие на сегодняшний день установки.

Такое мощное лазерное излучение позволит выполнять исследования в области так называемой «новой» экспериментальной физики.

Кроме того, мы занимаемся созданием фемтосекундных лазеров (лазеры сверхкоротких импульсов.— «Ъ») с экстремальными параметрами сочетания пиковой мощности и частоты повторения импульсов. Это позволит развивать экспериментальную аттосекундную физику — раздел лазерной физики, изучающий процессы, длительность протекания которых измеряется в аттосекундах (одна квинтиллионная доля секунды.— «Ъ»), например, движение электронов вокруг атомных ядер. Совсем скоро планируем провести первые эксперименты.

Еще один интересный проект – создание лазера с одновременно высокой средней мощностью и энергией в импульсе. Такая установка необходима для внедрения фундаментальных исследований в применение на практике. Для многих приложений, начиная от обработки материалов и заканчивая лучевой терапией, нужен лазер с высокой частотой повторений, который генерирует один лазерный импульс не раз в секунду или минуту, а чаще. Это позволит проводить технологические и научные процессы с гораздо более высокой скоростью.

Лаборатория пространственно-временного профилирования фемтосекундного лазерного излучения ИПФ

Заведующий лабораторией Сергей Миронов, доктор физико-математических наук

— У нашей лаборатории есть два ключевых направления исследований. Первое, основное, – это разработка лазеров для фотоинжекторов электронов, стартовой части современного ускорителя заряженных частиц. Одно из возможных направлений их использования – это генерация когерентного излучения с использованием ондулятора. В нем, в зависимости от энергии сгустка, может генерироваться излучение на разных частотах, например, в терагерцовом, видимом, ультрафиолетовом и даже в рентгеновском диапазонах. 

Второе направление деятельности нашей лаборатории связано с управлением параметрами лазерных импульсов с большой пиковой мощностью. В настоящее время лазерные источники – это единственные источники электромагнитного излучения, которые могут достичь петаваттного уровня мощности. Такие лазерные импульсы используются, в основном, для проведения фундаментальных исследований. Сейчас цель — получить в экспериментах импульсы ближнего инфракрасного диапазона с минимально возможной длительностью. Такие импульсы важны для проведения исследований в области лазерно-плазменного взаимодействия.

Фактически сверхмощные лазеры с ультракороткой длительностью импульса являются новым уникальным инструментом для познания природы. С его помощью можно ускорять элементарные частицы до скоростей близких к скорости света и примерно до таких же энергий, как и в классических ускорителях.

Лазерное ускорение протонов могло бы использоваться для терапии онкологических заболеваний. Протонные пучки в зависимости от энергетики могут проникать в ткани человека на разную глубину и разрушать раковые опухоли. Идея интересная, но до конечной реализации еще далеко.