СМИ о нас

Егор Вадимович Паркевич. Фото: Елена Либрик / «Научная Россия»

Ученые отдела высоких плотностей энергий ФИАН имитируют молнии в лабораторных условиях. Физикам удалось отследить ключевые стадии развития электрического разряда, связанные с генерацией различных видов электромагнитного излучения (рентгеновского, ультрафиолетового, инфракрасного и др.), и установить их локальные источники. Об экспериментальном изучении молний корреспонденту «Научной России» рассказал руководитель научной группы Егор Вадимович Паркевич.

Справка: Егор Вадимович Паркевич ― кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник отдела физики высоких плотностей энергий Физического института им. П.Н. Лебедева РАН (ФИАН), участник проекта «Жесткое рентгеновское и широкополосное радиоизлучение лабораторного атмосферного разряда: динамика, источники, механизмы генерации», поддержанного грантом РНФ, руководитель молодежной научной группы «Лазерная диагностика быстро эволюционирующих фазовых объектов со сложной внутренней микроструктурой».

― Что представляют собой молнии, которые вы создаете в лаборатории?

― Правильнее будет сказать, что мы имитируем молнии, а не создаем их, потому что есть большая разница между протеканием этих процессов в грозовых разрядах в природе и лабораторными экспериментами и их довольно сложно сопоставить друг с другом. Возвращаясь к вашему вопросу, я хотел бы рассказать о том, какой именно тип молний мы исследуем здесь в ФИАН. Пожалуй, говоря о молнии, большинство людей представляют их как результат развития разряда от грозового облака до Земли: появление яркого светящегося канала, сопровождаемого мощным громом, вспышкой света и другими сопутствующими процессами. Но есть и более необычные разряды: например, происходящие непосредственно внутри облака, так называемые внутриоблачные компактные разряды, состоящие из очень большого количества стримеров (каналов слабоионизованной плазмы, создающих путь для развития молнии. ― Примеч. ред.); их наблюдение в лабораторных условиях крайне затруднено.

Существуют и более интересные типы разрядов, которые развиваются, например, на внешней стороне облака, в верхних слоях атмосферы: так называемые джеты, спрайты и высотные разряды типа эльфов, которые тянутся на десятки километров вверх.

― То есть они идут не к Земле, как мы привыкли, а от Земли?

― Да, некоторые разряды могут развиваться и в таком направлении. Процессы в них протекают с разной интенсивностью и на разных пространственно-временных масштабах. Некоторые из этих процессов невероятно быстрые и длятся около одной 1 нс (одна миллиардная доля обычной секунды. ― Примеч. ред.): это время, за которое свет в вакууме успевает пройти всего 30 см. Есть еще более быстрые: субнаносекундные.

В своих исследованиях мы пытается определить некий фундаментальный процесс, лежащий в основе образования молнии. В нашем эксперименте они формируются между заряженным электродом и заземленным электродом. По сути, это миниатюра привычной нам молнии, которая идет от грозового облака до поверхности Земли, о чем мы говорили выше.

Безусловно, это не количественное, а качественное сравнение, позволяющее нам тем не менее подойти довольно близко к изучению глубинных механизмов, лежащих в основе формирования молнии.

― В каких именно условиях проходит такая имитация молнии?

― Условия нашего эксперимента достаточно близки к тем, что наблюдаются во время грозовых разрядов в природе.

Наша установка позволяет получать импульсы напряжения до миллиона вольт при токах в единицы килоампер, что близко к финальной стадии развития молнии.

Мы пытаемся проникнуть в эти процессы с высоким временны́м разрешением в пространстве, отследить и посмотреть на сопутствующие им электромагнитные явления. Это и есть предмет наших исследований.

Интегральное изображение свечения от результирующего канала пробоя. Источник: Е.В. Паркевич / ФИАН

― Вы сказали, что процессы, протекающие в молнии, крайне быстрые и могут длиться всего наносекунды, но обыденный опыт говорит об обратном: мы часто успеваем хорошо рассмотреть молнию, наблюдая ее с расстояния, и даже сфотографировать. Создается ощущение, что она живет не так уж и мало. Это наша иллюзия?

― Я бы сказал, что таково наше психологическое восприятие этой вспышки. На самом деле процесс, конечно, очень короткий. Это микросекунды. В каких-то случаях молния может пройти по некому уже готовому каналу, оставшемуся после первого разряда, и тогда вы можете увидеть повторную вспышку. В реальности все протекает гораздо быстрее, чем нам кажется. Да, вы действительно можете снять молнию на смартфон, хотя это очень тяжело, но для того, чтобы отследить ее динамику, требуется уже специальное оборудование.

― А с помощью какого оборудования вам удается исследовать молнию, учитывая столь короткое время ее жизни?

― В своих экспериментах мы задействуем специальное диагностическое оборудование, в том числе так называемые быстрые камеры, позволяющие вести наносекундную фотосъемку со временем экспозиции кадра порядка 50–60 нс. Две такие камеры дают нам возможность посмотреть динамику молнии. Все это точностью до единиц наносекунд синхронизировано с высоковольтной машиной. По сути, на нашей установке мы имеем один импульс, который длится в течение микросекунд, но внутрь него мы можем заглянуть с очень высоким временны́м разрешением. Мы пользуемся и другими методами диагностики и регистрации излучения, которые также позволяют работать с нано- и даже субнаносекундными процессами. В этом как раз и заключается главный смысл имитации молнии в лабораторных условиях.

Молния — явление спорадическое, и пытаться зарегистрировать и исследовать ее в природе было бы очень тяжело и крайне дорого. К счастью, лабораторные эксперименты позволяют нам не просто поймать молнию, а сделать гораздо больше: приблизиться к фундаментальным физическим процессам, стоящим за ее инициированием и развитием.

― Молния имеет определенные стадии развития. Возможно ли воссоздать их в лаборатории?

― Смотря о каком типе разряда идет речь. Если говорить о молнии, развивающейся от грозового облака, то повторить этот процесс в лабораторных условиях очень сложно, а в некоторых случаях практически нереально, потому что в облаках нет соответствующих условий, то есть наличия массивного высоковольтного электрода. Там, на огромных масштабах, протекают совсем иные фантастические локальные процессы.

― Расскажите, пожалуйста, подробнее об этих процессах. На каком из этапов происходит зажигание молнии?

― Можно поговорить, например, о внутриоблачном разряде. Что представляет собой облако? Это колоссальная динамомашина, то есть генератор постоянного тока. Через облако проносятся разнообразные воздушные потоки, что сопровождается сепарацией заряженных частиц. Таким образом, возникает заряд на частицах и капельках воды или на частичках льда, если мы говорим о более высоких слоях облака. Происходит накопление электрического заряда, причем до уровня кулонов. Это колоссальная энергия, но она распределена на масштабе нескольких километров и начинает стекаться к какому-то общему стоку, из которого пойдет молния. Это первый механизм формирования молнии. Его описывает, например, теория гидрометеоров.

Что касается зажигания молнии, о котором вы спрашиваете, то здесь одну из самых известных и принятых на сегодня теорий предложил наш коллега из ФИАН академик А.В. Гуревич (1930–2023). Согласно его теории космического излучения, высокоэнергетичные частицы, попадая в атмосферу Земли, порождают ливень высокоэнергетичных электронов.

В условиях невысоких электрических полей затравочные электроны обладают высокой энергией, около 100 КэВ. При таких полях лавины затравочных электронов находятся в режиме убегания и начинают тормозиться на ядрах частиц воздуха. Идет генерация рентгеновского излучения, в том числе порождение новых лавин электронов (тоже быстрых), то есть происходит их каскадное размножение. Это ― своеобразные «затравки», по которым фактически далее может начаться формирование общего стока заряда. Если где-то прошла высокоэнергетичная частица, создав лавину электронов, то по этой «затравке» потенциально может начаться уже развитие молнии.

Таким образом, это совокупность разных процессов, триггером которых, согласно теории А.В. Гуревича, выступают космические лучи. Этот вопрос исследуется до сих пор. На текущий момент по-прежнему точно неизвестно, что служит зажиганием молнии.

― Эксперименты по имитации молнии в лаборатории приближают нас к решению этой проблемы?

― Это, опять же, сложный вопрос масштабирования природных процессов. Какие-то из стадий развития молниевого разряда мы действительно можем повторить в лаборатории, а другие, к сожалению, пока так и остаются для нас недоступными.

Мы пытаемся увидеть общую картину, собирая ее из отдельных малых пазлов: тех знаний, что нам удалось добыть в эксперименте.

Выходной узел большой высоковольтной установки, где происходит имитация молнии.
Фото: Е.В. Паркевич / ФИАН

― Вы говорили о том, что есть разные типы молниевых разрядов. Как вы думаете, их возникновение, то самое зажигание, обусловлено какой-то единой причиной и имеет идентичную природу или за каждым разрядом стоит своя индивидуальная история?

― Я бы скорее согласился со вторым утверждением о разных причинах зажигания у разных разрядов. В этой области, как я уже говорил, очень много неизвестного. Выше мы обсуждали некие общепринятые концепции возникновения молнии и привычные сценарии, когда молния идет от грозового облака к Земле. Но генерация более высотных разрядов, например, по-прежнему остается для нас загадкой. Более того, исследовать такие разряды можно только в натурных условиях, что, как вы понимаете, далеко не каждый может себе позволить. Это чрезвычайно тяжело и очень дорого. Сейчас идут попытки исследовать это явление, например, с борта самолета с помощью сложного дорогостоящего оборудования.

― Известно ли приблизительно, сколько всего может существовать разных типов молниевых разрядов?

― Я думаю, их бесчисленное множество. Появление того или иного разряда зависит от условий окружающей среды. Мы с вами говорили только про нашу планету. Но известно, что молнии есть также на Венере с ее кислотной атмосферой.

― И на газовых гигантах Юпитере и Сатурне.

― Да, и мы не знаем, какие типы молниевых разрядов существуют там и сколько их. Тем не менее я думаю, что механизмы образования молнии на Земле и на других планетах Солнечной системы могут быть схожими. Хотя, честно сказать, мы пока и со своей планетой-то не можем толком разобраться. Изучение этого вопроса происходит постепенно, поэтапно. Возможно, в будущем, объединив данные, полученные от натурных наблюдений и от лабораторных экспериментов, мы сможем узнать еще больше нового о молниях.

― Возвращаясь к вашим экспериментам в ФИАН, какие наиболее интересные результаты вы могли бы отметить?

― Подавая высоковольтный импульс на длинный разрядный промежуток, мы смогли наблюдать формирование первичных стримерных корон: начального процесса, создающего путь для развития молнии. Пожалуй, это можно назвать некой имитацией роста отрицательных или положительных лидерных каналов, которые развиваются от облака к Земле. Стримеров очень много, и их можно рассматривать как волны ионизации, прокладывающие слабо ионизованные плазменные каналы. Они вспышечно выстреливают и, образно говоря, ищут путь, по которому первый прогретый лидерный канал (основа молнии) начнет развиваться.

Молния, которую мы видим, — это финальная стадия явления, а образование стримеров ― это как раз то, что происходит до нее. Нам удалось наблюдать в лаборатории примерно те же стадии развитии молнии, что и в природных условиях.

Более того, мы смогли повторить в эксперименте генерацию различных видов электромагнитного излучения (широкополосного радиоизлучения, рентгеновского, ультрафиолетового и др.) в молнии, определить их источники и построить карту корреляции между всеми этими типами излучения.

По сути, мы получили в лаборатории разные виды электромагнитного излучения, создав молнию. Более того, мы зарегистрировали даже новый тип источников такого излучения. В ближайшее время нам предстоит выяснить, как то, что мы обнаружили, соотносится с наблюдаемым в натурных условиях и с общепринятыми научными концепциями молнии.

Временнáя карта электромагнитных излучений во время молниевого разряда. Физикам удалось отследить ключевые стадии развития электрического разряда, связанные с генерацией различных видов электромагнитного излучения (рентгеновского, ультрафиолетового, инфракрасного и др.), и установить их локальные источники. 
Фото: Е.В. Паркевич / ФИАН

― Насколько опасно такое излучение?

― Это очень сильное по мощности сверхвысокочастотное (СВЧ) излучение, измеряемое в единицах гигагерц и способное влиять, например, на системы спутниковой связи, бортовую электронику, лидары и т.д. Вопрос подавления таких высокочастотных помех на сегодня очень актуален. На эту тему было опубликовано достаточно много работ: такое СВЧ-излучение наблюдалось как в натурных условиях, так и в лаборатории.

Если говорить о нашей научной группе, то успех исследования заключается в том, что нам удалось локально установить зоны генерации этого СВЧ-излучения с сантиметровой точностью. Откуда она начинается, на какой стадии? Пока что наше открытие не согласуется принятыми научными концепциями молнии.

Мы видим, что некая зона генерации СВЧ-излучения может быть предвестником того, что через несколько наносекунд в этой области можно будет наблюдать определенную интенсивность стримерообразования; или, наоборот, она может уже присутствовать в этой плазменной среде. Пока что у нас нет однозначного ответа, это нечто новое. Обсудив этот вопрос со многими коллегами, мы пришли к выводу, что это может быть развитием пучковых неустойчивостей в плазме по типу черенковских.

― Плазма ведь считается самым малоизученным состоянием вещества?

― Если говорить о проявлениях в определенных условиях и сопутствующих явлениях, то да. Спектр физических процессов, которые могут происходить в плазме, колоссальный. Мы можем исследовать и повторить в эксперименте только некую часть из них, но для этого необходимо использовать оборудование высочайшего класса с очень высоким пространственно-временным разрешением. Требуется наличие высоковольтной установки, то есть системы синхронизации, причем на уровне единиц наносекунд, а также диагностического оборудования, позволяющего вести наблюдения. Кстати, у нас такое оборудование есть. Оно как раз и позволило получить наиболее полную картину излучений разряда, которая вылилась во временную карту электромагнитного излучения молниеподобного разряда.

Аппарат Стэнли Миллера и Гарольда Юри, позволивший в 1953 г. сымитировать приблизительные условия на древней Земле и получить органические соединения: молочную кислоту, мочевину и аминокислоты. Иллюстрация: Т.С. Богданова / Теремов А.В., Петросова Р.А. Биологические системы и процессы. М., Мнемозина, 2023

― Что нам дает в практическом смысле изучение молний и различных видов электромагнитного излучения?

― В первую очередь это, конечно, создание новых систем молниезащиты, подавления электромагнитных помех и усовершенствование системы мониторинга грозовых явлений в атмосфере. Из-за климатических изменений, происходящих на планете, количество гроз ежегодно увеличивается. При этом особенно большую опасность представляют так называемые сухие грозы, тем более на обширных территориях, как в случае нашей страны. Их необходимо как-то идентифицировать, важно понять, где они начнут возникать, с какой интенсивностью и т.д. Следующий момент связан с безопасностью на различных открытых энергообъектах, промышленных предприятиях, где важно учитывать информацию о том, может ли здесь через какое-то время произойти молниевая вспышка и нужно ли прекращать работу в связи с этим. Это опять же системы мониторинга. Безопасность гражданского населения ― еще одна важная часть этой проблемы, особенно если это касается жителей горной местности и альпинистов: если молния ударила в гору, она не может быстро стечь, а будет долго идти по поверхности, представляя большую угрозу. Нельзя пренебрегать грозой, это действительно может быть губительно для человека, относиться к этому надо очень серьезно. В то же время, когда молния бьет, скажем, в различные породы, происходит формирование различных сложных минералов, которые было бы очень тяжело создать в лабораторных условиях.

― С использованием рукотворной молнии удавалось даже создать аминокислоты.

― Да. Это очень интересный эксперимент, проведенный в 1953 г. Стэнли Миллером и Гарольдом Юри. Они попытались воспроизвести условия, существовавшие на древней Земле, и им удалось синтезировать аминокислоты, пропуская электрический разряд через смесь газов и паров воды при температуре 80 ℃. Конечно, к этой работе было очень много вопросов: могла ли жизнь развиваться именно по такому сценарию и насколько все это близко к тому, что в действительности происходило на древней Земле?

Это направление исследований представляет большой интерес для науки, и роль молний в возникновении жизни на нашей планете действительно могла быть колоссальной.

https://scientificrussia.ru/articles/zacem-ucenye-zazigaut-molnii-v-laboratorii-intervu-so-starsim-naucnym-sotrudnikom-fian-egorom-parkevicem

В Большом Серпухове состоится лекция известного ученого-астронома, директора ПРАО АКЦ ФИАН (1988–2020 гг.), доктора физико-математических наук, профессора Рустама Дагкесаманского. На встрече «Современные представления об эволюции Вселенной» он расскажет о появлении и происхождении неопознанных летательных аппаратов (НЛО) в небе над Серпуховом простым и понятным языком.

Также на лекции пойдет речь о наиболее значительных теоретических и экспериментальных работах, которые существенно изменили представления об окружающем мире.

Мероприятие запланировано на 8 апреля, накануне Дня космонавтики, и пройдет в Доме ученых Пущина. Начало в начало лекции в 18.00, вход свободный.

https://regions.ru/serpuhov/obschestvo/o-proishozhdenii-nlo-nad-serpuhovom-rasskazhet-uchenyy-astronom-rustam-dagkesamanskiy

Сделать фотографию звёздного неба и увидеть наночастицы — чем займутся участники смены РАН в «Артеке»

Стали известны подробности о дополнительной общеразвивающей программе «300 лет РАН: фундаментальный взгляд на окружающий мир», которая пройдёт в рамках тематического партнёрства Российской академии наук и Международного детского центра «Артек».

Конкурсный отбор заявок на участие в научной смене РАН продлится до 15 апреля включительно.

В ходе обучения участники смены узнают, как обращаться с телескопом, познакомятся с принципами его работы, а также смогут понаблюдать за объектами Солнечной системы и дальнего космоса, сделать фотографию звёздного неба. В рамках направления «Биомедицина» ребят познакомят со строением бактерий, проблемами антибиотикорезистентности, а в области химии им расскажут, что такое хромофоры, фотодинамическая терапия и многое другое.

Большой блок будет посвящён физике — свойствам и применению наночастиц, оптическим методам исследования, и биоинформатике — анализу молекулярных данных, в том числе при помощи методов машинного обучения.

«К отличительным особенностям программы можно отнести уникальный курс лекций и практических занятий, разработанный специально профессорами Российской академии наук — учёными-популяризаторами, педагогами с опытом работы в Базовых школах РАН. Оригинальные вступительные задания по математике, физике, химии и биологии были составлены членами и профессорами РАН. Кроме того, в отборочном туре дополнительные баллы получат победители конкурсов, организованных при участии Российской академии наук, к примеру, викторины юных физиков ОФН РАН, конкурса им. Д.И. Менделеева, Всероссийского чемпионата сочинений „Своими словами“», — отметил один из авторов программы, руководитель Троицкого обособленного подразделения ФИАН, заведующий кафедрой МПГУ член-корреспондент РАН Андрей Наумов.

В завершении обучения участникам предстоит подготовить и защитить свой проект в формате устных докладов, а также принять участие в финальном эксперименте.

https://t.me/rasofficial/12063

Коллектив российских ученых из Физического института имени П. Н. Лебедева РАН и МФТИ провел детальное исследование электромагнитных излучений, сопровождающих развитие протяженных атмосферных разрядов, инициированных в лабораторных условиях. Впервые была составлена подробная хронологическая карта генерации различных видов излучений, включая высокочастотное (ВЧ-, ~10–100 МГц), сверхвысокочастотное (СВЧ-, ~1–6 ГГц), рентгеновское (фотоны с энергиями от 5 кэВ до 1 МэВ), а также оптические излучения в ближнем инфракрасном (700–1100 нм) и ближнем ультрафиолетовом (300–400 нм) диапазонах. Результаты исследований позволили лучше понять механизмы генерации излучений в протяженных высоковольтных разрядах, их временные корреляции, а также определить локальные источники излучений. Работа опубликована в Journal of Applied Physics. Исследования были проведены при поддержке Российского научного фонда (грант № 23-19-00524).

Известно, что высоковольтные атмосферные разряды, например, молнии, сопровождаются излучением в широком спектре частот. Генерация того или иного вида электромагнитного излучения зависит от временной стадии эволюции разряда, параметров плазменных структур, прокладывающих путь развития разряда, параметров самой газоразрядной среды, в которой формируется разряд, и многих других факторов. Механизмы генерации некоторых видов излучений в атмосферных разрядах, связанных, например, с появлением высокоэнергетичных фотонов (с энергиями более единиц кэВ) или началом эмиссии широкополосного радиоизлучения, еще недостаточно изучены. Современные исследования показывают, что испускание разрядами радиоволн в диапазоне порядка 10–100 МГц может быть связано со вспышечным развитием стримерных корон, берущих начало от прогретых плазменных каналов — лидеров или же прорастающих от пространственных областей с повышенной ионизацией, называемых иногда изолированными структурами. Это плазменные образования, которые могут появляться на пути распространения результирующего канала разряда и развиваться независимо от него, оказывая при этом определенное влияние на его пространственную эволюцию и генерацию различных электромагнитных излучений. Однако физика быстропротекающих процессов в газоразрядной среде, определяющих генерацию сверхвысокочастотного радиоизлучения (в ГГц диапазоне частот) и высокоэнергетичных рентгеновских фотонов, до сих пор остается предметом активных научных дискуссий.

Ранее было установлено, что при инициировании лабораторных атмосферных разрядов при мегавольтных напряжениях удается зарегистрировать рентгеновские фотоны с энергиями в сотни кэВ. Эмиссия рентгеновского излучения может проявлять сложную пространственную структуру и анизотропию углового распределения, а сам «источник» генерации данного излучения способен распространяться в объеме разряда вдоль плазменных структур с ультравысокой скоростью порядка 1010 см/с. При этом первый источник часто возникает вдали от электродов, примерно в области середины разрядного промежутка. Кроме того, исследования выявили определенную корреляцию между появлением вспышек рентгеновского излучения и генерацией СВЧ-излучения в диапазоне 1–6 ГГц.

В рамках эксперимента ученые провели исследования на большой высоковольтной установке, способной генерировать электрические разряды длиной метрового масштаба при напряжениях в миллион вольт и токах порядка десятка килоампер. Разряд инициировался в выходном узле установки, который включал в себя два металлических электрода — отрицательно заряженный конический катод с иглой по центру и заземленный сетчатый анод, расположенных друг напротив друга на расстоянии 55 см. Когда на катод подавали высокое напряжение, в атмосферном воздухе в промежутке между электродами возникал электрический разряд, похожий на разряд реальной молнии. Развитие разряда сопровождалось генерацией различных электромагнитных излучений. Для их регистрации вокруг установки исследователями был размещен целый комплекс приборов высокого временного и пространственного разрешения. В частности, использовались специальные сборки быстрых сцинтилляционных рентгеновских детекторов, фотоэлектронных умножителей, чувствительных к излучению в ближнем инфракрасном и ближнем ультрафиолетовом диапазонах, система из сверхширокополосных антенн для регистрации радиоизлучений. Дополнительно фиксировалась эволюция разряда с помощью наносекундной фотосъёмки плазменных структур и измерялись ток и напряжения разряда. Благодаря полученным многочисленным экспериментальным данным исследователями была создана универсальная хронологическая карта временных корреляций различных типов электромагнитных излучений, создаваемых протяженными лабораторными атмосферными разрядами (рисунок 1).

В ходе экспериментов ученые выяснили, что в самые первые моменты существования разряд развивается в виде протяженной стримерной короны — слабоионизованной плазмы, формируемой первичными стримерами, распространяющимися от катода навстречу заземленному аноду. Данной стадии развития разряда присуще интенсивное излучение в диапазоне ближнего ультрафиолета и менее интенсивное в области ближнего инфракрасного диапазона (рисунок 2). Примерно на этой же стадии развития разряда наблюдается генерация маломощного высокочастотного радиоизлучения в МГц диапазоне частот (рисунок 3).

Ситуация кардинально меняется, когда с поверхности анода стартуют встречные стримеры. Распространяясь с колоссальной скоростью — порядка десятка тысяч километров в секунду — эти стримеры за десятки наносекунд пересекают весь разрядный промежуток и формируют сложную разветвленную структуру плазменных каналов между противоположными электродами. Показано, что в этот момент резко повышается мощность как высокочастотного (МГц), так и сверхвысокочастотного (ГГц) радиоизлучений. Данный процесс, в свою очередь, сопровождается короткой по времени вспышкой ближнего инфракрасного излучения, а также появлением жесткого рентгеновского излучения. Частотно-временные характеристики радиоизлучений, зарегистрированных в ходе эксперимента, наглядно демонстрируют динамические спектрограммы на рисунках 4 и 5.

С использованием различных комбинаций сборок рентгеновских детекторов и наносекундной визуализации динамики развития плазменных структур разряда исследователям удалось показать, что генерация рентгеновского излучения может начинаться практически синхронно вдоль всего разрядного промежутка через десятки наносекунд после первых актов взаимодействий встречных стримеров с прикатодной зоной (рисунок 6). Самые первые вспышки рентгеновского излучения при этом наблюдаются в стадии развития разряда, когда в промежутке уже сформирована сложная сеть многочисленных плазменных каналов, а предпробойный ток и напряжение разряда составляют около 500 А и 1 МВ.

Результаты измерений эмиссий рентгеновского излучения в периферийной области разрядного промежутка (с учетом данных, ранее полученных в работе ) показали, что на протяжении всей длины разрядного промежутка преобладает эмиссия фотонов с энергиями от 5 до 17 кэВ. Генерация фотонов с энергией в сотни кэВ (но, не выше 300 кэВ) характерна для катодной, прикатодной, анодной и околоанодной областей разряда, тогда как примерно в середине разрядного промежутка (вдали от обоих электродов) наблюдаются преимущественно низкоэнергетические фотоны. В совокупности же в разряде регистрируются фотоны с энергиями вплоть до 1 МэВ (рисунок 7).

«Результаты наших исследований могут помочь в построении согласованных моделей механизмов генерации рентгеновских излучений в протяженных высоковольтных разрядах, инициированных в лабораторных условиях, и грозовых разрядах в атмосфере Земли, — отметил Ярослав Болотов, ассистент Физтех-кластера академической и научной карьеры МФТИ, — Благодаря полученным экспериментальным данным нам удалось установить динамику процессов в газоразрядной среде и связанных с ними электромагнитных излучений, предшествующих появлению первых вспышек рентгеновского излучения. Например, было установлено, что перед началом эмиссии рентгеновского излучения плазменная система в разрядном промежутке испускает мощную вспышку в диапазоне ближнего ИК, которая фактически служит временным репером для отслеживания моментов появления первых вспышек высокоэнергетичных фотонов».

«Измерения различных излучений и результаты наносекундной визуализации динамики развития плазменных структур разряда показали, что резкие изменения в характере генерации различных электромагнитных излучений связаны с некоторыми особенностями процессов плазмообразования, возникающих, начиная с момента замыкания всего разрядного промежутка первыми результирующими плазменными каналами, которые, однако, не обладают высокой степенью ионизации. Данное наблюдение указывает на принципиально сложный характер коллективных процессов в плазменной среде, способных вызывать генерацию различных типов излучений. Мы полагаем, что проведенные исследования будут полезны для развития новых методов диагностики электрических явлений и разрядов в земной атмосфере» — рассказал Александр Огинов, кандидат физико-математических наук, исполняющий обязанности заведующего Отдела физики высоких плотностей энергии Физического института имени П. Н. Лебедева РАН.

«Одним из достижений проведенной работы является созданная хронологическая карта, которая детально описывает ключевые временные корреляции между различными типами электромагнитных излучений в широком спектральном диапазоне. В рамках идеи масштабирования газоразрядных процессов в земной атмосфере данная карта может быть полезна для последующих поисковых, теоретических и экспериментальных исследований, нацеленных раскрыть физику локальных источников и ключевых механизмов генерации сверхширокополосного радиоизлучения и высокоэнергетичных фотонов во время грозовых явлений и лабораторных атмосферных разрядов» — рассказал Егор Паркевич, кандидат физико-математических наук, исполняющий обязанности заведующего лаборатории лазерной диагностики плазменных структур Физического института имени П. Н. Лебедева РАН.

Результаты исследований могут помочь расширить современное представление о механизмах формирования протяженных разрядов и связанных с ними электромагнитных явлений, важных для понимания закономерностей формирования натурных молниевых разрядов и разработки новых методов их диагностики. Полученные в работе результаты могут быть использованы при совершенствовании систем грозопеленгации, молниезащиты и подавления мощных электромагнитных помех, в разработке аэрокосмической техники и в технологиях управления плазмой, в импульсных электрофизических системах и устройствах, используемых в современной энергетике.

В дальнейшем ученые планируют исследовать пространственные характеристики источников рентгеновского излучения с еще большей точностью, а также разработать модели, объясняющие механизмы генерации радиоизлучений в ГГц-диапазоне частот.

Рисунок 1. Хронологическая карта временных корреляций различных типов электромагнитных излучений, создаваемых протяженными лабораторными атмосферными разрядами. На верхней панели показаны типичные осциллограммы тока и напряжения разряда. На средней панели показана хронология развития разряда — результаты наносекундной фотосъёмки. На нижней панели показана временная карта всех зарегистрированных электромагнитных излучений. Наклонные штриховые линии характеризуют временные интервалы, когда амплитуды соответствующих сигналов излучения достигают максимальных значений. Отдельно отмечены временные интервалы, когда рентгеновские вспышки наблюдаются чаще всего. Источник: Journal of Applied Physics.

Рисунок 2. Временные корреляции между СВЧ-излучением (в диапазоне частот порядка 1–6 ГГц), рентгеновским излучением (при характерной отсечке энергии фотонов Eν≈5 кэВ) и оптическим излучением в диапазонах длин волн ближнего УФ (300–400 нм) и ИК (700–1100 нм) вместе с формами напряжения, зарегистрированными в одиночных выстрелах на установке. Источник: Journal of Applied Physics.

Рисунок 3. Временные корреляции между СВЧ-излучением (в диапазоне частот порядка 1–6 ГГц), ВЧ-излучением (в диапазоне частот порядка 10–100 МГц) и рентгеновским излучением (при характерной отсечке энергии фотонов Eν≈5 кэВ) вместе с формами тока и напряжения разряда, зарегистрированными в одиночных выстрелах на установке. Источник: Journal of Applied Physics.

Рисунок 4. Спектрограммы сигналов ВЧ-излучения, иллюстрирующие эволюцию спектра излучения в диапазоне частот 0–600 МГц. Карта интенсивности характеризует значения средней мгновенной мощности Pf(t) рассматриваемого сигнала излучения во временной и частотной области (t, f). На вставках показаны характерные профили вспышек Pf, построенные в зависимости от частоты f для конкретного момента времени. Источник: Journal of Applied Physics.

Рисунок 5. Спектрограммы сигналов СВЧ-излучения, иллюстрирующие эволюцию спектра излучения в диапазоне частот 0–6 ГГц. Карта интенсивности характеризует значения средней мгновенной мощности Pf(t) рассматриваемого сигнала излучения во временной и частотной области (t, f). На вставках показаны характерные профили вспышек Pf, построенные в зависимости от частоты f для конкретного момента времени. Источник: Journal of Applied Physics.

Рисунок 6. Пространственно-временная локализация зон генерации рентгеновского излучения в течение временных интервалов наносекундной съемки плазменных структур разряда. Задержка между кадрами камеры составляет 5 нс. Параметр Exp: обозначает время экспозиции кадра. Источник: Journal of Applied Physics.

Рисунок 7. Временная картина появления рентгеновских вспышек в трех сериях измерений по 250 событий с использованием свинцовых фильтров различной толщины (3 мм, Eν 170 кэВ; 10 мм, Eν 300 кэВ и 50 мм,Eν 870 кэВ). Источник: Journal of Applied Physics.

Научная статья: E. V. Parkevich, K. V. Shpakov,I. S. Baidin, A. A. Rodionov,A. I. Khirianova, Ya.K. Bolotov, V. A. Ryabov. Temporal map of electromagnetic emissions produced by laboratory atmospheric discharges. J. Appl. Phys. 136, 173301 (2024). https://doi.org/10.1063/5.0231084 .

https://zanauku.mipt.ru/2025/04/04/uchenye-prodvinulis-v-izuchenii-vremennyh-korrelyatsij-mezhdu-razlichnymi-vidami-elektromagnitnyh-izluchenij-sozdavaemyh-molnievymi-razryadami-v-atmosfernom-vozduhe/

Вы что-нибудь слышали о квантовой революции? А, между тем, она триумфально шагает по планете, до неузнаваемости меняя облик нашей цивилизации. О том, что такое квантовые технологии и в каком виде они приходят в жизнь обычного человека, в программе «Время науки» на Радио “Комсомольская правда” говорили радиожурналист Мария Баченина, академик РАН Александр Сергеев, научный руководитель Национального центра физики и математики (НЦФМ) и их гость Николай Николаевич Колачевский, доктор физико-математических наук, член-корреспондент РАН, директор Физического института имени П. Н. Лебедева РАН.

Научный руководитель Национального центра физики и математики (НЦФМ) Александр Сергеев и директор Физического института имени П.Н. Лебедева РАН Николай Колачевский (слева направо) в редакции "Комсомольской правды".

Мария Баченина:

- Меня восхищает это название - квантовая революция. Это звучит так гордо! А что это такое?

Николай Колачевский:

- Квантовая революция - это те изменения, которые привели к существенной трансформации нашего уклада жизни. Они настолько глубоко вошли в повседневный быт, что мы не очень это осознаем, но, например, вся коммуникация по интернету осуществляется с помощью лазерных источников. Новая химия и новые материалы, лекарства, магнитные диски, управление квадрокоптерами - все это чисто квантовые истории.

Александр Сергеев:

- Действительно, мы воспринимаем квантовые явления, как что-то относящееся к микромиру. Но поскольку это все сейчас появляется в нашем макромире, появился термин – квантовая макрофизика. Это означает, что внутри лежат квантовые эффекты, но мы их просто используем в быту.

Мария Баченина:

- О, как интересно! А правда ли, что первая квантовая революция, которая определила развитие физики в XX веке, стала предпосылкой для появления ядерного оружия? Ну ладно не только ядерка: транзисторы, лазеры, мобильная телефония, связь, интернет...

Николай Колачевский:

- Все, что вы перечислили, действительно, результат чрезвычайно бурных достижений физики в период середины ХХ века. Мы до сих пор не знаем, исчерпали ли мы эти возможности до конца, или нам надо делать следующие шаги.

https://www.kp.ru/daily/27682.5/5070796/ 

Коллектив ученых из ФИАН РАН и МФТИ провел детальное исследование электромагнитных излучений, сопровождающих развитие протяженных атмосферных разрядов, инициированных в лабораторных условиях. Впервые составлена подробная хронологическая карта генерации различных видов излучений, включая высокочастотное, сверхвысокочастотное, рентгеновское, а также оптические излучения в ближнем инфракрасном и ближнем ультрафиолетовом диапазонах. Результаты исследований позволили лучше понять механизмы генерации излучений в протяженных высоковольтных разрядах, их временные корреляции, а также определить локальные источники излучений.

Новые эксперименты раскрыли механизмы излучения при атмосферных разрядах / © U.S. Air Force, ru.wikipedia.org

Работа опубликована в Journal of Applied Physics. Исследования проведены при поддержке Российского научного фонда.

Известно, что высоковольтные атмосферные разряды, например молнии, сопровождаются излучением в широком спектре частот. Генерация того или иного вида электромагнитного излучения зависит от временной стадии эволюции разряда, параметров плазменных структур, прокладывающих путь развития разряда, параметров самой газоразрядной среды, в которой формируется разряд и многих других факторов. Механизмы генерации некоторых видов излучений в атмосферных разрядах, связанных, например, с появлением высокоэнергетичных фотонов (с энергиями более единиц кэВ) или началом эмиссии широкополосного радиоизлучения, еще недостаточно изучены.

Современные исследования показывают, что испускание разрядами радиоволн в диапазоне порядка 10–100 МГц может быть связано со вспышечным развитием стримерных корон, берущих начало от прогретых плазменных каналов – лидеров или же прорастающих от пространственных областей с повышенной ионизацией, называемых иногда изолированными структурами. Это плазменные образования, которые могут появляться на пути распространения результирующего канала разряда и развиваться независимо от него, оказывая при этом определенное влияние на его пространственную эволюцию и генерацию различных электромагнитных излучений. Однако физика быстропротекающих процессов в газоразрядной среде, определяющих генерацию сверхвысокочастотного радиоизлучения (в ГГц диапазоне частот) и высокоэнергетичных рентгеновских фотонов, до сих пор остается предметом активных научных дискуссий.

Ранее было установлено, что при инициировании лабораторных атмосферных разрядов при мегавольтных напряжениях удается зарегистрировать рентгеновские фотоны с энергиями в сотни кэВ. Эмиссия рентгеновского излучения может проявлять сложную пространственную структуру и анизотропию углового распределения, а сам «источник» генерации данного излучения способен распространяться в объеме разряда вдоль плазменных структур с ультравысокой скоростью, порядка 10¹⁰ см/сек. При этом первый источник часто возникает вдали от электродов, примерно в области середины разрядного промежутка. Кроме того, исследования выявили определенную корреляцию между появлением вспышек рентгеновского излучения и генерацией СВЧ-излучения в диапазоне 1–6 ГГц.

В рамках эксперимента ученые провели исследования на большой высоковольтной установке, способной генерировать электрические разряды длиной метрового масштаба при напряжениях в миллион вольт и токах порядка десятка килоампер. Разряд инициировался в выходном узле установки, который включал в себя два металлических электрода — отрицательно заряженный конический катод с иглой по центру и заземленный сетчатый анод, расположенных друг напротив друга на расстоянии 55 см. Когда на катод подавали высокое напряжение, в атмосферном воздухе в промежутке между электродами возникал электрический разряд, похожий на разряд реальной молнии.

Развитие разряда сопровождалось генерацией различных электромагнитных излучений. Для их регистрации вокруг установки исследователями был размещен целый комплекс приборов высокого временного и пространственного разрешения. В частности, использовались специальные сборки быстрых сцинтилляционных рентгеновских детекторов, фотоэлектронных умножителей, чувствительных к излучению в ближнем инфракрасном и ближнем ультрафиолетовом диапазонах, система из сверхширокополосных антенн для регистрации радиоизлучений. Дополнительно фиксировалась эволюция разряда с помощью наносекундной фотосъемки плазменных структур, и измерялись ток и напряжения разряда. Благодаря полученным многочисленным экспериментальным данным исследователями была создана универсальная хронологическая карта временных корреляций различных типов электромагнитных излучений, создаваемых протяженными лабораторными атмосферными разрядами (Рис. 1).

Рисунок 1. Хронологическая карта временных корреляций различных типов электромагнитных излучений, создаваемых протяженными лабораторными атмосферными разрядами. На верхней панели показаны типичные осциллограммы тока и напряжения разряда. На средней панели показана хронология развития разряда – результаты наносекундной фотосъемки. На нижней панели показана временная карта всех зарегистрированных электромагнитных излучений. Наклонные штриховые линии характеризуют временные интервалы, когда амплитуды соответствующих сигналов излучения достигают максимальных значений. Отдельно отмечены временные интервалы, когда рентгеновские вспышки наблюдаются чаще всего / © Journal of Applied Physics

В ходе экспериментов ученые выяснили, что в самые первые моменты существования разряд развивается в виде протяженной стримерной короны — слабоионизованной плазмы, формируемой первичными стримерами, распространяющимися от катода навстречу заземленному аноду. Данной стадии развития разряда присуще интенсивное излучение в диапазоне ближнего ультрафиолета и менее интенсивное в области ближнего инфракрасного диапазона (Рис. 2). Примерно на этой же стадии развития разряда наблюдается генерация маломощного высокочастотного радиоизлучения в МГц диапазоне частот (Рис. 3).

Рисунок 2. Временные корреляции между СВЧ-излучением (в диапазоне частот порядка 1–6 ГГц), рентгеновским излучением (при характерной отсечке энергии фотонов Eν≈5 кэВ) и оптическим излучением в диапазонах длин волн ближнего УФ (300–400 нм) и ИК (700–1100 нм) вместе с формами напряжения, зарегистрированными в одиночных выстрелах на установке / © Journal of Applied Physics

Рисунок 3. Временные корреляции между СВЧ-излучением (в диапазоне частот порядка 1–6 ГГц), ВЧ-излучением (в диапазоне частот порядка 10–100 МГц) и рентгеновским излучением (при характерной отсечке энергии фотонов Eν≈5 кэВ) вместе с формами тока и напряжения разряда, зарегистрированными в одиночных выстрелах на установке / © Journal of Applied Physics

Ситуация кардинально меняется, когда с поверхности анода стартуют встречные стримеры. Распространяясь с колоссальной скоростью — порядка десятка тысяч километров в секунду — эти стримеры за десятки наносекунд пересекают весь разрядный промежуток и формируют сложную разветвленную структуру плазменных каналов между противоположными электродами. Показано, что в этот момент резко повышается мощность как высокочастотного (МГц), так и сверхвысокочастотного (ГГц) радиоизлучений. Данный процесс, в свою очередь, сопровождается короткой по времени вспышкой ближнего инфракрасного излучения, а также появлением жесткого рентгеновского излучения. Частотно-временные характеристики радиоизлучений, зарегистрированных в ходе эксперимента, наглядно демонстрируют динамические спектрограммы на рисунках 4 и 5.

Рисунок 4. Спектрограммы сигналов ВЧ-излучения, иллюстрирующие эволюцию спектра излучения в диапазоне частот 0–600 МГц. Карта интенсивности характеризует значения средней мгновенной мощности Pf(t) рассматриваемого сигнала излучения во временной и частотной области (t, f). На вставках показаны характерные профили вспышек Pf, построенные в зависимости от частоты f для конкретного момента времени / © Journal of Applied Physics

С использованием различных комбинаций сборок рентгеновских детекторов и наносекундной визуализации динамики развития плазменных структур разряда исследователям удалось показать, что генерация рентгеновского излучения может начинаться практически синхронно вдоль всего разрядного промежутка, через десятки наносекунд после первых актов взаимодействий встречных стримеров с прикатодной зоной (Рис. 6). Самые первые вспышки рентгеновского излучения при этом наблюдаются в стадии развития разряда, когда в промежутке уже сформирована сложная сеть многочисленных плазменных каналов, а предпробойный ток и напряжение разряда составляют около 500 А и 1 МВ.

Рисунок 5. Спектрограммы сигналов СВЧ-излучения, иллюстрирующие эволюцию спектра излучения в диапазоне частот 0–6 ГГц. Карта интенсивности характеризует значения средней мгновенной мощности Pf(t) рассматриваемого сигнала излучения во временной и частотной области (t, f). На вставках показаны характерные профили вспышек Pf, построенные в зависимости от частоты f для конкретного момента времени / © Journal of Applied Physics

Результаты измерений эмиссий рентгеновского излучения в периферийной области разрядного промежутка (с учетом данных, ранее полученных в работе показали, что на протяжении всей длины разрядного промежутка преобладает эмиссия фотонов с энергиями от 5 до 17 кэВ. Генерация фотонов с энергией в сотни кэВ (но не выше 300 кэВ) характерна для катодной, прикатодной, анодной и околоанодной областей разряда, тогда как примерно в середине разрядного промежутка (вдали от обоих электродов) наблюдаются преимущественно низкоэнергетические фотоны. В совокупности же в разряде регистрируются фотоны с энергиями вплоть до 1 МэВ (Рис. 7).

«Результаты наших исследований могут помочь в построении согласованных моделей механизмов генерации рентгеновских излучений в протяженных высоковольтных разрядах, инициированных в лабораторных условиях, и грозовых разрядах в атмосфере Земли, — отметил Ярослав Болотов, ассистент Физтех-кластера академической и научной карьеры МФТИ,  — Благодаря полученным экспериментальным данным нам удалось установить динамику процессов в газоразрядной среде и связанных с ними электромагнитных излучений, предшествующих появлению первых вспышек рентгеновского излучения. Например, было установлено, что перед началом эмиссии рентгеновского излучения плазменная система в разрядном промежутке испускает мощную вспышку в диапазоне ближнего ИК, которая фактически служит временным репером для отслеживания моментов появления первых вспышек высокоэнергетичных фотонов».

«Измерения различных излучений и результаты наносекундной визуализации динамики развития плазменных структур разряда показали, что резкие изменения в характере генерации различных электромагнитных излучений связаны с некоторыми особенностями процессов плазмообразования, возникающих, начиная с момента замыкания всего разрядного промежутка первыми результирующими плазменными каналами, которые, однако, не обладают высокой степенью ионизации. Данное наблюдение указывает на принципиально сложный характер коллективных процессов в плазменной среде, способных вызывать генерацию различных типов излучений. Мы полагаем, что проведенные исследования будут полезны для развития новых методов диагностики электрических явлений и разрядов в земной атмосфере» — рассказал Александр Огинов, кандидат физико-математических наук, исполняющий обязанности заведующего Отдела физики высоких плотностей энергии Физического института имени П.Н. Лебедева.

Рисунок 6. Пространственно-временная локализация зон генерации рентгеновского излучения в течение временных интервалов наносекундной съемки плазменных структур разряда. Задержка между кадрами камеры составляет 5 нс. Параметр Exp: обозначает время экспозиции кадра / © Journal of Applied Physics

«Одним из достижений проведенной работы является созданная хронологическая карта, которая детально описывает ключевые временные корреляции между различными типами электромагнитных излучений в широком спектральном диапазоне. В рамках идеи масштабирования газоразрядных процессов в земной атмосфере данная карта может быть полезна для последующих поисковых теоретических и экспериментальных исследований, нацеленных раскрыть физику локальных источников и ключевых механизмов генерации сверхширокополосного радиоизлучения и высокоэнергетичных фотонов во время грозовых явлений и лабораторных атмосферных разрядов» — рассказал Егор Паркевич, кандидат физико-математических наук, исполняющий обязанности заведующего Лаборатории лазерной диагностики плазменных структур Физического института имени П.Н. Лебедева.

Рисунок 7. Временная картина появления рентгеновских вспышек в трех сериях измерений по 250 событий с использованием свинцовых фильтров различной толщины (3 мм–Eν 170 кэВ, 10 мм–Eν 300 кэВ и 50 мм–Eν 870 кэВ). Источник: Journal of Applied Physics

Результаты исследований могут помочь расширить современное представление о механизмах формирования протяженных разрядов и связанных с ними электромагнитных явлений, важных для понимания закономерностей формирования натурных молниевых разрядов и разработки новых методов их диагностики. Полученные в работе результаты могут быть использованы при совершенствовании систем грозопеленгации, молниезащиты и подавления мощных электромагнитных помех, в разработке аэрокосмической техники и в технологиях управления плазмой в импульсных электрофизических системах и устройствах, используемых в современной энергетике.

В дальнейшем ученые планируют исследовать пространственные характеристики источников рентгеновского излучения с еще большей точностью, а также разработать модели, объясняющие механизмы генерации радиоизлучений в ГГц-диапазоне частот.

https://naked-science.ru/article/column/vremennye-svyazi-v-izluch

В результате реализации дорожной карты по квантовым вычислениям под эгидой Госкорпорации «Росатом», мы пришли в концу 24-го года, занимая уверенную позицию в мире
Фото: Shutterstock.

В конце 2024 года российские ученые создали 50-кубитный ионный квантовый компьютер (кубит - квантовый бит, основная единица информации в квантовых вычислениях). Это настоящий научный прорыв, учитывая, что еще совсем недавно в области квантовых вычислений у России не было особых достижений. О том, как удалось добиться такого успеха, мы поговорили с директором Физического института имени П.Н. Лебедева Российской академии наук (ФИАН) членом-корреспондентом РАН Николаем Колачевским, сотрудники которого принимали участие в разработке чудо-машины.

МЕСТО НА ПЬЕДЕСТАЛЕ

- Николай Николаевич, правда ли, что нам удалось отыграть отставание от лидеров квантовой гонки, которое, по некоторым оценкам, было порядка 20 лет?

- Давайте вернемся в 2020 год, когда под руководством Росатома стартовала дорожная карта “Квантовые вычисления”, и посмотрим, что было у нас и у мировых лидеров. Только считать фору будем не в годах, а в технологиях. За рубежом весьма успешные работы велись по сверхпроводящим платформам (квантовые компьютеры разрабатываются на 4 платформах: сверхпроводящей, атомной, ионной и фотонной - Ред). За этими исследованиями стояли такие гиганты как Google и IBM - то есть дело было поднято на серьёзный уровень. И по ионной платформе работали две очень сильные группы. Это австрийская команда Райнера Блатта - родоначальники ионных квантовых вычислений. У них уже был 20-кубитник с неплохими характеристиками, и образцы внелабораторных систем в “коробочном” исполнении, которые можно было уже выводить на рынок. Вторая группа — это американцы из команды Кристофера Монро, последователи лучших квантовых традиций Нобелевского лауреата Дэйва Уайнленда. Они тоже к этому моменту демонстрировали квантовый компьютер мощностью в десятки кубит.

- А что было у нас?

- На всю Российскую Федерацию, был проект Фонда перспективных исследований, который, по-моему, завершился демонстрацией двух кубитов на сверхпроводниках. Я бы сказал, что это был успешный проект, потому что Россия стартовала вообще с нуля. В результате реализации дорожной карты по квантовым вычислениям под эгидой Госкорпорации «Росатом», мы пришли в концу 24-го года, занимая уверенную позицию в мире.

Да, по сверхпроводящей платформе пока нам до лидеров все-таки далеко. Мир уже ушел в сотни кубитов. Хотя надо сказать, что кубиты, как выясняется, не главное свойство квантовых компьютеров, важно качество операций и возможность коррекции ошибок. А в ионной платформе мы заняли вполне достойное место, напрямую конкурируя по характеристикам с той самой группой Райнера Блатта. Это обнадеживает, потому что мы за короткое время смогли выйти, скажем так, во второй эшелон квантовых лидеров. Да, это второе место, мы его делим с группой других стран, но это место на пьедестале почета.

- До первого места нам еще далеко?

- Американцы уже перешли на чип-системы, на манипулирование отдельными цепочками из ионов. Их процессор H2 - это практически шедевр микрофабрикации, совмещенный с квантовыми технологиями. Чтобы нам достичь такой технологии в ближайшие 5 лет надо очень-очень сильно напрягаться, подключать лучшие технологические площадки в России. Иными словами, отрыв существует и есть опасение, что в какой-то момент он может оказаться невосполнимым. Как это уже произошло в период развития классической микроэлектроники. Но пока я, скорее оптимист, чем пессимист.

Россия совершила прорыв в гонке квантовых компьютеров
Фото: Shutterstock.

ОТЕЧЕСТВЕННЫЙ СМАРТФОН - ЭТО НЕСБЫТОЧНАЯ МЕЧТА?

- А в классической микроэлектронике мы это отставание сможем отыграть?

- Я вам, что называется, не скажу за всю Одессу. Наверное, будет правильно разделять микроэлектронику на два больших семейства. Первое - это процессоры с топологией порядка 60-120 нанометров, которые покрывают большинство прикладных задач. Здесь я настроен скорее позитивно.

А есть чипы существенно меньшей топологии: 30 нанометров, 12 нанометров и даже порядка 5и нанометров - это просто другая область микроэлектроники, она используется для смартфонов, суперкомпьютеров, для организации мощных вычислений. И мне кажется, что в ближайшие годы нам просто не надо на этом зацикливаться. Дело в том, что подобные задачи нужно решать под глобальные рынки. Если создавать чрезвычайно дорогостоящую фабрику, например, для производства 10-нанометровых процессоров, тогда надо производить их сотнями тысяч и более. И кто-то должен их покупать, чтобы фабрика функционировала. Иначе весь этот проект с экономической точки зрения становится фантастически убыточным. Кажется, что стране не надо сегодня в эту тематику кидаться с головой и тратить гигантские ресурсы. Причем может оказаться, что возникнет какое-нибудь “бутылочное горлышко”, например, сложности с созданием фоторезиста или синтеза одного из сотен сверхчистых материалов. В 80-е годы уже был прецедент с программой “Звездных войн”, когда мы ввязались в гонку технологий и переоценили свои возможности. Кончилось все это весьма плохо.

- Значит, создание отечественного смартфона — это несбыточная мечта?

- Полностью суверенный отечественный смартфон в обозримой перспективе - да, скорее всего, это утопия. Причем, не только для нашей - практически для любой страны. Мы же должны понимать, что если разобрать смартфон на детали: процессор, камера, оптика, экран, конденсаторы, источники питания, многослойная печать плат и так далее, то мы увидим, что все это делается в разных частях планеты. Можно по-разному объяснять, чем был вызван развал во время Перестройки, но сейчас у нас в микроэлектронике не так много чего есть в части разнообразия серийных продуктов, начиная от резисторов и кончая интегральными схемами. Нам надо многое восстанавливать, причем на современном уровне. Если мы изготавливаем хороший процессор, его надо много чем обвязывать. Возможно, это несколько больно осознавать, но без отечественного смартфона, как ни странно, можно прожить. А если посмотреть шире - на оборонные задачи, поддержание энергонезависимости, судоходство, кораблестроение, самолётостроение, навигация… Там эти сверхскоростные стандарты не очень-то нужны. И здесь мы качественные решения обеспечиваем и сможем обеспечить в дальнейшем. Сейчас в России интенсивно идет освоение топологии 90 нм, создание аппаратуры изготовления микросхем, источников излучения, литографов, синтез новых материалов.

КИТАЙСКАЯ СИСТЕМА ПЕРЕХВАТА НАУЧНЫХ ЗНАНИЙ

- Мы же не первые отстаём от лидеров. Почему Китай сумел воспользоваться западными технологиями и сам стал лидером, а у нас как-то не очень получается?

- Китайцам можно поставить памятник за их систему перехвата научных знаний и технологий. Они высаживали большие десанты в ведущих научных центрах Америки и Европы. Китайские студенты массово осваивали передовое знание, а потом большая часть этого десанта вернулась на родину и была интегрирована в китайскую науку, причем на очень хорошие позиции с возможностью воплощать приобретенные знания и навыки. Мы тоже стараемся двигаться в этом направлении, но у нас нет ни китайской массовости, ни китайской настойчивости и последовательности. В массовости мы проигрываем по объективным причинам, у нас людские ресурсы ограничены. А с настойчивостью и последовательностью… Китайцы умеют сохранять такое традиционное вековое спокойствие и нацеленность на результат. Они не гении, далеко не везде всех опережают, но сумели создать несколько мощных прорывных центров и поступательно двигаются вперед, создавая все более и более сложные системы. Нам в этом смысле сложнее, у нас если проект через 5 лет не дал каких-то блестящих результатов, то велик риск, что мы пустим его под нож и побежим куда-то дальше в другом направлении. А потом с удивлением оглядываемся: мы много чего начинали, но до ума толком не довели. Затем эта “брошенная” технология всплывает где-то за рубежом, и мы тратим огромные ресурсы, чтобы приземлить у себя собственную же разработку.

ЗАЧЕМ УЧЕНЫЕ ИЗОБРЕТАЮТ ВЕЛОСИПЕД?

- У нас в последнее время развиваются реверсивные технологии, когда мы на фоне санкций заново переоткрываем для себя, то что уже изобрели на Западе. Например, в МФТИ создают электрический ракетный двигатель для малых спутников на основе разработки 80-х годов. Тогда проект законсервировали из-за отсутствия нужных технологий, а потом его реализовали за границей. Говорят, когда ты повторяешь кого-то - ты отстаёшь. Нынешняя ситуация, когда мы в той или иной области заново изобретаем велосипед - это шаг вперед или все-таки топтание на месте?

- Конечно, этот шаг вперед! У нас почему-то популярны такие разговоры: а зачем эти промежуточные шаги? Давайте сразу прыгнем в дамки, срежем угол и обойдем всех на повороте. Да, иногда так получается. Кстати, квантовые вычисления это одна из таких попыток перепрыгнуть сразу через 5 полей. Но вообще-то, “конь так не ходит”. Пока ты не освоил большинство промежуточных шагов, не понял, как оно работает - очень маловероятно, что ты сразу получишь блестящий результат. Конечно, иногда я вижу печаль в глазах у сотрудников Института, которым приходится от высоких передовых идей переходить к практическим приложениям.

- Это затормаживает полет научной мысли?

- В какой-то степени, да. Но, с другой стороны, вспоминаю академика Виталия Лазаревича Гинзбурга, которому прикладные задачи оборонного характера не помешали получить Сталинские, Ленинские и Нобелевскую премии за фундаментальные достижения в науке. Вернее, мешали, но не принципиально. Поэтому в реверсе технологий я большой угрозы для науки не вижу. Мы же стараемся реверсировать вещи, которых у нас в стране просто нет.

Скорее, существует угроза другого характера. Сейчас многие обсуждают, что если вдруг снимут санкции и мы вернемся обратно, скажем, в 2013-й год, то это один из самых плохих сценариев. Потому что в обеспечение технологического суверенитета страной уже вложены существенные ресурсы, они распланированы до 2030 года и дальше. Да, есть какие-то реверсные истории, но мы много развиваем своих идей. Строятся заводы, отлаживаются технологические цепочки. Если все это сейчас на полдороге бросить и опять начать массово покупать китайское, японское, американское, европейское, то это будет очень неэффективная трата ресурсов, которые уже вложены за последние несколько лет. Тогда в плане развития суверенитета, человеческого и технологического капитала, мы больше потеряем, чем приобретем. И именно здесь очень востребована настойчивость, последовательность и выдержка, как в науке, так и в государственной политике.

https://www.kp.ru/daily/27679/5069044/

Глава Министерства науки и высшего образования Российской Федерации Валерий Фальков наградил сотрудников ФИАН нагрудным знаком «Ветеран».

Согласно Приказу № 237 к/н «О награждении нагрудным знаком "Ветеран" Министерства науки и высшего образования Российской Федерации работников Федерального государственного бюджетного учреждения науки Физического института им. П.Н. Лебедева Российской академии наук» за заслуги в труде и продолжительную работу награждаются:

• Азязов Валерий Николаевич, директор Самарского филиала;
• Борисенко Наталия Глебовна, ведущий научный сотрудник;
• Величанский Владимир Леонидович, ведущий научный сотрудник;
• Дмитриева Мария Николаевна, техник 1 категории;
• Лебедев Владимир Сергеевич, руководитель Отделения оптики.

Отметим, что сотрудники ФИАН получают данную ведомственную награду впервые.

Нагрудной знак «Ветеран» Министерства науки и высшего образования Российской Федерации является ведомственным знаком отличия Минобрнауки. Он также дает право на присвоение звания «Ветеран труда».

Награждение нагрудным знаком производится за заслуги в труде и продолжительную работу в сфере высшего образования и соответствующего дополнительного профессионального образования, научной, научно-технической и инновационной деятельности, нанотехнологий, развития федеральных центров науки и высоких технологий, государственных научных центров и наукоградов, интеллектуальной собственности, в сфере социальной поддержки и социальной защиты обучающихся, молодежной политики.

Ведомственная награда Министерства науки и высшего образования Российской Федерации нагрудной знак «Ветеран» была учреждена в августе 2021 года.

Информация и фото предоставлены Отделом по связям с общественностью ФИАН
Источник фото: ФИАН

https://scientificrussia.ru/partners/fian/sotrudniki-fian-vpervye-polucili-pocetnye-vedomstvennye-nagrady-minobrnauki

Ученые из Физического института имени П. Н. Лебедева РАН и Московского физико-технического института (МФТИ) провели детальный анализ того, как когерентное лазерное излучение взаимодействует с неоднородными плазменными микроструктурами, регистрируемыми оптическими линзовыми системами. Исследователи обнаружили, что данный процесс сопровождается сложными дифракционными эффектами, которые существенным образом влияют на визуализацию плазмы в поле лазерного излучения.

Работа опубликована в Physical Review E. Исследования были проведены при поддержке Российского научного фонда (проект № 19-79-30086).

https://t.me/zanauku/2102

Ученые из Физического института имени П. Н. Лебедева РАН и МФТИ провели детальный анализ того, как когерентное лазерное излучение взаимодействует с неоднородными плазменными микроструктурами, регистрируемыми оптическими линзовыми системами. Исследователи обнаружили, что данный процесс сопровождается сложными дифракционными эффектами, которые существенным образом влияют на визуализацию плазмы в поле лазерного излучения. Работа опубликована в Physical Review E. Исследования были проведены при поддержке Российского научного фонда (проект № 19-79-30086).

Плазма, созданная в виде ионизированного газа, обладает уникальными оптическими свойствами, которые делают её интересным объектом для исследования. Плазма активно используется в различных областях науки, техники и промышленности. Знания о её свойствах нужны для контроля процесса плазменного катализа, плазменной резки, сварки и напыления, синтеза наночастиц, при стерилизации имплантатов и хирургических инструментов, в системах поджига топливных смесей, а также в различных импульсных электроразрядных устройствах, используемых в современной энергетике.

Плазму с высокой концентрацией электронов можно изучать с помощью методов лазерного зондирования — интерферометрии, теневой и шлирен-фотосъёмки, когда вследствие взаимодействия лазерного пучка с плазменной структурой изменяются его интенсивность, фаза и поляризация. Анализируя изменения в характеристиках лазерного излучения, можно восстановить пространственное распределение диэлектрической проницаемости плазмы в рамках решения прямых и обратных дифракционных задач, а также оценить и другие её важные параметры. Однако реализация даже таких традиционных методов диагностики плазмы сталкивается с рядом сложностей.

Ключевая проблема — это дифракция лазерного излучения, которая усложняет интерпретацию результатов оптических измерений и играет важную роль в самом процессе визуализации неоднородной плазменной структуры. Обычно дифракционным эффектам при обработке результатов лазерного зондирования не придается большого значения, в частности, ввиду сложности их анализа в эксперименте. При этом в области непосредственно за плазменным объектом (ближней волновой зоне) закономерности проявления дифракционных эффектов до недавнего времени оставались недостаточно изученными. В то же время именно в ближней волновой зоне формируются ключевые особенности изображений плазменных микроструктур, и их детальное понимание необходимо для последующего точного восстановления параметров плазмы.

Чтобы изучить дифракционные эффекты, ученые провели всестороннее численное моделирование прямой задачи дифракции на основе решения скалярного волнового уравнения Гельмгольца, описывающего распространение лазерного излучения сквозь неоднородную плазменную среду.

Рисунок 1. Дифракция плоской волны на плазменном образовании. Источник: Physical Review E.

Для решения данного уравнения использовалось первое Рытовское приближение — метод асимптотического решения уравнения в парадигме функции комплексной фазы при доминирующем рассеянии волны вперед. В качестве плазменной среды были рассмотрены тонкие нити сильно ионизованной плазмы (диаметром порядка 20 мкм), выступающие в качестве модели одиночных микроканалов, из которых состоит электрическая искра в газе (примеры приведены в конце работы, опубликованной в Physical Review E). Помимо этого, ученые дополнили результаты моделирования дифракции лазерного излучения на неоднородных плазменных микроструктурах численным расчетом прохождения дифрагированного излучения сквозь оптическую линзовую систему, в оптических каналах которой реализованы методы визуализации на основе интерферометрии и теневой фотосъёмки. 

В условиях реального эксперимента возникновение и эволюция плазмы в пространстве, как правило, имеет спорадичный характер. Из-за этого оптическая линзовая система вносит определенные искажения в характеристики поля регистрируемого лазерного излучения, поскольку возрастает влияние эффекта дефокусировки — несовпадение объектной плоскости регистрации оптической системы с выходной плоскостью объекта, в которой он вносит окончательные изменения в поле проходящего излучения.

Рисунок 2. Схематическое изображение оптической системы регистрации в виде эквивалентной линзы (a). Иллюстрация фокусировки эквивалентной линзы на острийный электрод с небольшим плазменным образованием с расстоянием дефокусировки ∆d0: оно меньше нуля, если объектная плоскость линзы находится позади выходной плоскости плазменного объекта (b), больше нуля в случае, когда объектная плоскость линзы находится перед выходной плоскостью плазменного объекта (c). Источник: Physical Review E.

С использованием разработанного математического аппарата, алгоритмов численного расчета и программного кода ученые детально описали ключевые закономерности визуализации плазменных микроструктур в поле когерентного лазерного излучения. Исследователям также удалось определить роль дифракционных эффектов в процессе формирования изображений плазмы и установить множество ранее неизвестных оптических артефактов, возникающих в процессе визуализации плазмы.

Исследователи обнаружили, что даже в наиболее простых случаях взаимодействия лазерного излучения с неоднородной плазмой дифракционные эффекты оказывают существенное влияние на визуализацию плазменных микроструктур. В ближней волновой зоне данные эффекты особенно выражены и приводят к заметным искажениям в регистрируемых яркостных и фазовых картинах плазменного объекта. В частности, проявляются многочисленные флуктуации интенсивности волны и её фазового сдвига.

Рисунок 3. Дифракционные карты интенсивности (a) и сдвига фазы (b) плоской волны (с длиной волны 532 нм), смоделированные позади плазменной нити диаметром 20 мкм на дистанции до L=1 см (относительно выходной плоскости плазменного объекта). Иллюстрация поведения интенсивности (c) и сдвига фазы (d) дифрагированной волны позади объекта в периферийном направлении, а также вдоль её распространения (e) в плоскости с координатой y=0.  Яркостная картина дифракции излучения (в терминах изменений интенсивности лазерного излучения) в направлении распространения зондирующего пучка за объектом характеризуется значительным падением интенсивности волны (плазменные нити действуют как отрицательные цилиндрические линзы), тогда как на периферии картина представлена чередованием мелкомасштабных зон с увеличением или уменьшением интенсивности излучения, укладывающихся в дифракционный конус, угол при вершине которого совпадает с областью, содержащей плазменный объект. Фазовая картина дифракции излучения также характеризуется многочисленными флуктуациями, а её максимальное значение достигается в выходной плоскости объекта. По мере удаления от объекта яркостная и фазовая картины объекта становятся более искаженными в виду усиления дифракционных эффектов. Источник: Physical Review E.

Исследователями было также показано, что с уменьшением электронной плотности плазмы дифракционные эффекты, наблюдаемые в выходной плоскости объекта, становятся слабыми, тогда как масштабирование плазменных объектов не сопровождается изменением их дифракционных картин в выходной плоскости, но приводит к существенным изменениям в проявлении дифракционных эффектов вдали от объектов. В то же время было обнаружено, что по сравнению с фазовыми дифракционными картинами плазменных объектов, их яркостные картины (получаемые в терминах изменений интенсивности) оказываются наиболее чувствительными к малым вариациям в распределении электронной плотности плазмы. 

Со слов исследователей, установленные факты оказались крайне полезными при обработке реальных изображений плазменных структур, получаемых в эксперименте.

Полученные результаты численного моделирования позволили количественно предсказать основные закономерности в визуализации плазменных микроструктур, просвечиваемых когерентным лазерным излучением, а также объяснить, почему при обработке экспериментальных данных нередко наблюдаются трудно интерпретируемые оптические артефакты. Результаты численного моделирования дали хорошее согласие с экспериментальными наблюдениями, что подтверждает достоверность предложенного подхода.

Для проверки численных результатов исследователями была разработана специальная оптическая установка, включающая пикосекундный лазер Nd:YAG с излучением на длинах волн 1064 и 532 нм при длительности лазерного импульса 70 пс на длине волны 532 нм и 100 пс на длине волны 1064 нм. 

Рисунок 4. Схематическое изображение диагностической установки, используемой для визуализации плазменных микроструктур на длинах волн 532 нм и 1064 нм. Источник: Physical Review E.

Лазер был синхронизован с высоковольтным генератором, который использовался для инициирования искровых разрядов в атмосферном воздухе в коротких разрядных промежутках. При подаче наносекундного высоковольтного импульса на разрядный промежуток и после наступления его электрического пробоя в объеме газоразрядной среды начиналось формирование высокоионизованной плазмы в виде микронных токовых каналов. Данные структуры использовались, с одной стороны, в качестве объектов для исследования, а с другой — для верификации разработанных подходов к описанию их визуализации в поле лазерного излучения. 

Для этого ученые в разработанной оптической системе реализовали синхронную регистрацию лазерных тенеграмм и интерферограмм плазменных формирований с возможностью их одновременной диагностики на двух длинах волн с высоким временным и пространственным разрешением.

Рисунок 5. Визуализация плазменных микроструктур во время импульсного наносекундного разряда в атмосферном воздухе методами лазерной теневой фотосъёмки и интерферометрии на длинах волн 532 и 1064 нм. Источник: Physical Review E.

Результаты экспериментальных исследований показали, что плазменные структуры микронного диаметра демонстрируют ярко выраженные дифракционные эффекты, зависящие от длины волны лазерного излучения, степени ионизации плазмы, размера объекта. При этом удалось подтвердить ряд необычных эффектов в визуализации плазменных структур. А именно, исследователи установили, что когда объектная плоскость оптической линзовой системы сфокусирована на характерный центр симметрии плазменного образования, какие-либо заметные колебания интенсивности излучения в плоскости изображения оптической системы исчезают — объект становится невидим на тенеграммах, а фазовая картина объекта регистрируется максимально корректно. При отрицательной дефокусировке яркостная картина объекта в плоскости изображения ничем не отличается от рассчитанной позади объекта в рамках решения прямой задачи дифракции. Сами картины объекта в данном случае характеризуются размытием профиля фазового сдвига, появлением флуктуаций фазового сдвига противоположного знака, падением интенсивности изображения в центре объекта и увеличением интенсивности изображения в пределах периферии объекта. При положительной дефокусировке фазовая картина плазменного объекта похожа на наблюдаемую при положительной дефокусировке, но раскрываются небольшие отличия в формах профилей фазового сдвига. 

В то же время яркостная картина объекта оказывается инвертированной, наблюдается увеличение интенсивности изображения в центре объекта и ее ослабление на периферии объекта. Другими словами, происходит инверсия контраста изображения объекта.

Рисунок 6. Лазерная теневая фотосъёмка плазменных микроструктур во время импульсного наносекундного разряда в атмосферном воздухе в условиях отрицательного и положительного эффектов дефокусировки. Длина волны излучения 532 нм. Источник: Physical Review E.

«Глубокое понимание основных принципов визуализации плазменных микроструктур в поле когерентного лазерного излучения имеет решающее значение для их прецизионной регистрации и последующего восстановления диэлектрической проницаемости или распределения электронной плотности, — отметил Даниил Толбухин, инженер лаборатории прецизионной оптомехатроники МФТИ. — Важно также понимать, как именно визуализируется объект при его съёмке оптической линзовой системой, поскольку становится существенным эффект дефокусировки, когда объектная плоскость линзы или объектива не сфокусирована на выходную плоскость объекта. Наша работа последовательно и методично объясняет все аспекты данных проблем, а также предоставляет регламент их решения. Более того, дифракционные эффекты, которые искажают яркостные и фазовые картины объекта, можно обратить на пользу в процедуре восстановления характеристик просвечиваемого объекта по результатам его лазерной дифракционной съёмки. Это мы покажем в наших последующих исследованиях».

«Быстро эволюционирующие плазменные микроструктуры являются наиболее трудными для оптических измерений. Исследовать оптические характеристики таких объектов можно посредством их взаимодействия с когерентным лазерным излучением. Однако даже в самых простых приближениях взаимодействие лазерного излучения с микроструктурированным плазменным объектом может сопровождаться сложными дифракционными эффектами, существенно искажающими его фазовые и яркостные картины. Это неизбежно влияет на результаты фотографической съёмки с использованием лазерного излучения, приводя к некорректным данным при восстановлении параметров объекта. Данная проблема до сих пор значима во многих направлениях фундаментальной и прикладной науки», — отметил Паркевич Егор, кандидат физико-математических наук, исполняющий обязанности руководителя Лаборатории лазерной диагностики плазменных структур Физического института имени П.Н. Лебедева. — «Результаты наших исследований раскрывают суть дифракционных эффектов, сопровождающих процесс визуализации плазменных микроструктур, позволяя учесть их при обработке лазерных изображений и значительно повысить точность их математической обработки. В дальнейшем результаты исследований могут быть полезны для развития прецизионных методов контроля генерации плазмы в импульсных газоразрядных системах, а также при создании комплексов лазерной дифракционной томографии высокого временного и пространственного разрешения».

Результаты исследований открывают большие возможности в реализации экспериментов по исследованию быстро эволюционирующих плазменных микрообъектов. Понимание ключевых аспектов дифракции лазерного излучения и закономерностей в визуализации плазменных структур позволяет значительно упростить дизайн оптических систем с лазерным зондированием, включая сами принципы регистрации плазменных объектов. Это делает результаты работы востребованными и полезными для широкой научной аудитории.

Научная статья: E. V. Parkevich, A. I. Khirianova, T. F. Khirianov, K. T. Smaznova, D. V. Tolbukhin, V. M. Romanova, I. A. Kozin, and S. A. Ambrozevich. Strong diffraction effects accompany the transmission of a laser beam through inhomogeneous plasma microstructures. Phys. Rev. E 109, 055204 – Published 14 May, 2024. https://doi.org/10.1103/PhysRevE.109.055204

https://zanauku.mipt.ru/2025/03/30/uchenye-raskryli-slozhnye-effekty-difraktsii-lazernogo-izlucheniya-v-neodnorodnyh-plazmennyh-mikrostrukturah/