«По итогам 2021 года мы получили от институтов, находящихся под научно-методическим руководством Отделения физических наук РАН, около 300 отчетов с результатами их работы», – подвел итоги прошлого года академик-секретарь Отделения физических наук (ОФН) РАН, научный руководитель Института общей физики им. А. М. Прохорова РАН академик РАН Иван Щербаков на Общем собрании Отделения.

В своем докладе «О научных достижениях ОФН РАН 2021 года» академик РАН подчеркнул, что наибольший интерес представляют междисциплинарные работы, где физика переплетается с другими науками.

«Когда речь идет о научных исследованиях, сказать, какое из них окажется самым востребованным, можно будет лишь по прошествии времени», – говорит академик Щербаков, отмечая, что любое предварительное ранжирование результатов может оказаться ошибочным.

Тем не менее, 2021 год оказался богат на интересные исследования в области физики. Редакция сайта РАН попросила Ивана Щербакова рассказать о некоторых из них.

Здоровый магнетизм

Одно из важнейших направлений, в котором сейчас ведутся работы во всем мире, это диагностика и лечение заболеваний, прежде всего онкологических, с помощью наночастиц, вводимых в организм. В данном случае речь идет о магнитных наночастицах, за которыми можно следить с помощью магнитных измерений. Были исследованы наночастицы 17 типов, которые отличаются способностью соединяться с различными злокачественными образованиями в организме. Благодаря этому по их концентрации можно отслеживать развитие опухоли, а также доставлять с их помощью лекарственные средства для адресной терапии. В этой работе, объединившей физиков, химиков, биологов и врачей, показано, что путем определенной обработки (использование покрытия из полистирола) можно продлить существование необходимой концентрации наночастиц в организме с 40 дней до года, что избавляет от необходимости вводить в организм все новые их дозы.

«Фейсконтроль» для ковида

В данной работе удалось найти новый экспресс-метод детектирования коронавируса, основанный на рамановской спектроскопии. Эффект Рамана – это рассеяние оптического излучения на локальных колебаниях вещества, сопровождающееся заметным изменением частоты возбуждающего излучения. Было обнаружено, что наночастицы серебра образуют с коронавирусом некие «комплексы», которые усиливают сигнал Рамановского рассеивания. То есть берется слюна, на нее светят лазером и через несколько секунд готов результат, причем аппаратура при этом используется достаточно простая. Применяемые сейчас экспресс-тесты дают довольно большую ошибку, а в данном случае по крайней мере можно точно определить, что ковида у пациента нет.

«Невозможный» лазер

Академик Щербаков признался, что если бы 10 лет назад ему сказали, что сделан твердотельный лазер с длиной волны излучения более 3 мкм, то он этому не поверил бы. Тем не менее лазер с длиной волны до 6 мкм создан российскими учеными. Длина волны 3–6 мкм – это средний инфракрасный диапазон. Конечно, газовые лазеры давно могут давать излучение с длиной волны до 10 микрон, но для твердотельной системы это считалось практически невозможным. Проблемой был слишком низкий квантовый выход люминесценции активных частиц. Система из возбужденного состояния переходила в основное в результате безызлучательного процесса, без люминесценции, за счет выделения тепла вместо света. Но сейчас удалось создать такие материалы, которые могут генерировать лазерное излучение в среднем ИК-диапазоне. Это так называемые халькогенидные стекла, на которых можно создать твердотельный лазер с длиной волны до 6 микрон. Правда, пока получена энергия в импульсе всего 35 мДж, но твердотельный лазер – это простая в эксплуатации и компактная система, и в будущем, по мере развития этой технологии, такие лазеры могут найти применение в самых разных областях. К примеру, он может пригодиться для защиты самолетов от ракет с тепловой головкой самонаведения. Температура сопла самолета как раз соответствует длинам волн порядка 5 мкм. На эту длину волны настроена и головка самонаведения ракеты, поэтому ее можно обмануть с помощью луча такого лазера. 

Висмут на связи 

Эта работа является результатом исследований, которые ведутся в нашей стране уже около 15 лет и получили всеобщее признание в связи с созданием висмутовых волокон. В свое время была проделана пионерская работа академиком Евгением Михайловичем Диановым, в результате которой висмут заставили быть активным ионом для генерации лазерного излучения. Сначала никто не мог поучить на висмуте даже просто люминесценцию, но затем такого рода люминесценция была обнаружена как физический эффект, а сейчас российские ученые создали достаточно мощные висмутовые лазеры и висмутовые усилители. По словам академика Щербакова, до сих пор больше нигде в мире такой технологии нет. Использование висмута позволило распространить волоконно-оптическую связь на диапазон волн 1,3–1,4 микрона, а это очень важно, потому что на традиционных частотах практически достигнут предел пропускной возможности оптоволокна по передаче информации. Нужны новые спектральные диапазоны, чтобы по тому же волокну можно было передавать еще больше информации. Использование висмута открыло для оптической связи этот новый диапазон. Это целиком наша, российская технология.

Огонь, мерцающий в сосуде

Ангиография – это контрастное изображение кровеносных сосудов, которое можно получать различными методами (рентген, магнитно-резонансная томография и т. д.) Существуют и оптоакустические методы создания ангиограмм. Лазерный луч определенной частоты (красный) способен проникать на глубину несколько миллиметров в глубь живой ткани. В результате его воздействия появляется слабый ультразвуковой отклик, уловив который, можно построить изображение сосудистой системы на глубину до 7 мм. Причем, в отличие от иных методов, таким образом можно разглядеть очень мелкие сосуды, до 30 мкм размером. Поскольку такие сосуды имеют самую разную ориентацию, то очень важно собрать ультразвуковой «отсвет», идущий от сосудов под самыми разными углами. Эту задачу успешно решают созданные российскими учеными антенны, способные принимать ультразвук с угловым покрытием в 180°.

Сжимая лазерный луч

Российские ученые разработали метод, с помощью которого в перспективе можно создать лазер с рекордной мощностью импульса. Лазерное излучение мощностью порядка петаватта (10¹⁵ ватт) можно создать путем сжатия импульса до фемтосекундной длительности (10^-15 с). Однако фемтосекундные импульсы такой мощности разрушают оптические элементы системы, в результате чего лазер выходит из строя. Российские ученые реализовали способ сжатия импульса на самой последней стадии его генерации, уже после того, как он прошел через основные оптические элементы. В данном случае импульс длительностью около 70 фемтосекунд и мощностью 18 Дж сжимался до 10 фемтосекунд, что позволило получить мощность в 1,5 петаватта. В перспективе применение этого метода позволит генерировать импульсы мультипетаваттной мощности с предельно малой длительностью. С помощью таких лазеров можно будет создавать физические условия для изучения недоступных ныне тайн материи.

Алмаз-гироскоп

Скорость вращения различных объектов измеряют с помощью гироскопов, достаточно сложных устройств, состоящих из множества составных частей. Оказывается, гироскопом может стать и просто кристалл алмаза. Атомы азота в узлах его чрезвычайно жесткой кристаллической решетки реагируют на вращение кристалла как своего рода гироскопы микромира. Вращение электронов вокруг ядра атома характеризуется спином. Оказалось, что даже при медленном (менее 250 град/с) вращении алмаза возникает добавочная прецессия ядерного спина азота. Это очень тонкий физический эффект, однако российским ученым удалось его измерить. Конечно, до практического применения этого эффекта еще далеко, это чисто фундаментальное исследование, но обнаруженное при этом явление природы поражает воображение.

Из глубин Байкала в глубины космоса

Ввод в строй в 2021 году нейтринного телескопа кубокилометрового масштаба Baikal-GVD (Gigaton Volume Detector) стал одним из крупнейших достижений отечественной науки последних лет. Эта установка класса мегасайенс предназначена для исследования нейтрино высоких энергий, прилетающих из-за пределов Солнечной системы. Нейтрино, пройдя сквозь толщу Земли, может с некоторой вероятностью провзаимодействовать с водой озера Байкал и породить каскад заряженных частиц. Черенковское излучение от заряженных частиц распространяется в воде озера и регистрируется оптическими модулями установки, погруженными в глубины озера. Километровые глубины Байкала и прозрачность его воды делают возможным создание такого уникального инструмента. Его строительство началось в апреле 2015 года, а в 2021 году рабочий объем телескопа достиг 0,4 км³. Baikal-GVD стал крупнейшим нейтринным телескопом в Северном полушарии, уступая лишь аналогичной установке IceCube объемом около 1 км³ во льдах Антарктиды. Но две этих обсерватории дополняют друг друга, так как каждая из них наилучшим образом принимает сквозь Землю нейтрино лишь со стороны своей половины неба. Baikal-GVD успешно работает и уже обнаружил первых кандидатов на нейтрино высоких энергий.

Космический рентген

Работа орбитальной рентгеновской обсерватории «Спектр-РГ» с момента ее запуска в 2019 году привлекает к себе постоянное внимание непрерывным потоком интереснейших результатов. По ее данным была создана рентгеновская карта неба с недоступной до того чувствительностью, а сообщения о новых открытиях приходили чуть ли не каждый месяц. 2021 год не стал исключением, и на слайде выше отмечена лишь пара небесных феноменов, открытых «Спектром-РГ». Как известно, в 2022 году в работе «Спектра-РГ» возникли сложности. На нем установлены два телескопа: российский и немецкий, которые работали в разных диапазонах рентгеновского излучения и дополняли друг друга. Однако после событий 24 февраля 2022 года немецкие партнеры свой телескоп отключили. Тем не менее российский телескоп продолжает работу, передавая уникальную информацию.

Звездный скиталец

Первая межзвездная комета, родившаяся за пределами Солнечной системы, была обнаружена крымским астрономом-любителем Геннадием Борисовым еще в 2019 году, но лишь в 2021 году были обработаны все данные ее наблюдения. Это всего лишь второй случай, когда в Солнечной системе обнаруживается тело, прилетевшее из-за ее границ, однако это событие позволило прийти к выводу, что межзвездное пространство может быть достаточно плотно заполнено такими объектами. Конечно, это исследование замыкает десятку отобранных результатов 2021 года не потому, что оно самое важное из всех. Но это пример открытия, которое меняет наши представления об окружающем мире.

Подготовил Леонид Ситник, редакция сайта РАН