АссистентНовый вопросИсторияОбласти знаний
Партнёрские проектыСпецпроектыСтать автором
Сменить язык
О РУВИКИ

Учебно-научный радиофизический центр

Учебно-научный радиофизический центр (УНРЦ) — структурное подразделение при кафедре общей и экспериментальной физики (КОЭФ) Института физики, технологии и информационных систем Московского педагогического государственного университета (ИФТИС МПГУ)[1]. УНРЦ был создан в 2001 г. в соответствии с приказом ректора МПГУ на базе научно-исследовательской Проблемной радиофизической лаборатории (ПРФЛ, организована в 1958 г.) и лабораторий учебного практикума КОЭФ. Директором УНРЦ является О. В. Окунев.

В результате проведённых в ПРФЛ и УНРЦ исследований взаимодействия электромагнитного излучения видимого, инфракрасного и терагерцового диапазонов с веществом на нанометровых масштабах, в том числе в случае слабых потоков излучения на уровне одиночных фотонов были разработаны быстродействующие детекторы. Они являются основой для реализации систем обработки и передачи информации, в том числе на уровне одиночных фотонов (квантовые симуляторы и системы квантовой криптографии). Эти исследования включены в «Дорожную карта развития сквозной цифровой технологии „Квантовые технологии“».

Научно-исследовательская работа УНРЦ, согласно Приоритетным направлениям развития науки, технологий и техники и перечню критических технологий РФ («Нанотехнологии и наноматериалы», «Рациональное природопользование») проводится по следующим направлениям:

  • фундаментальные исследования;
  • прикладные разработки;
  • развитие новых технологий;
  • коммерциализация научных результатов.
Общие сведения
Учебно-научный радиофизический центр
Основан 2001
Сайт mpgu.su/nauka/struktura-…

История

Создание ПРФЛ

Кафедра экспериментальной физики МГПИ им. В. И. Ленина (далее МГПИ) была образована в 1938 г., впоследствии она была преобразована в КОЭФ[2]. Первым заведующим кафедрой стал В. Л. Грановский — доктор физико-математических наук, профессор, лауреат Государственной премии СССР (1941), автор научных трудов по физике газового разряда.

Становление научной радиофизической школы МГПИ (МПГУ) связано с именем Н. Н. Малова и его учеников. После запуска в 1957 г. первого искусственного спутника Земли, в связи с повышенным интересом к развитию космических технологий, Министерство высшего и среднего специального образования СССР обратилось к руководствам вузов, в которых имелись физико-математические специальности, с предложением рассмотреть возможность создания в них научных лабораторий по оборонной и космической тематике. Руководство МГПИ подготовило и направило в Правительство СССР предложение по созданию научной радиофизической лаборатории. Это предложение было принято, и в октябре—ноябре 1958 г. при КОЭФ была создана Опорная проблемная радиофизическая лаборатория (ОПРФЛ, далее ПРФЛ) ГКРЭ (Государственный комитет Совета Министров СССР по радиоэлектронике) при МГПИ.

Создание ПРФЛ было обусловлено стремительным развитием научных работ в области радиолокации. Для успешного применения радиолокационных методов на практике (в основном в интересах ВПК) была необходима надёжная радиотехническая аппаратура (в частности, мощные генераторы электромагнитных волн), разработкой которой занимались многие научные коллективы, в том числе сотрудники ПРФЛ. Основополагающий вклад в организацию ПРФЛ, выбор тематики научно-исследовательских работ и создание её материально-технической базы внесли Н. Н. Малов и его ученики — Н. В. Александров, В. С. Эткин и Е. М. Гершензон. Первым заведующим ПРФЛ стал Александров, а первым научным руководителем этой лаборатории — Малов[3].

Основатели ПРФЛ

Рассмотрим краткие биографии учёных — основателей ПРФЛ[4].

Фотография предоставлена УНРЦ

Н. Н. Малов (1903–1990) — доктор физико-математических наук, профессор, специалист в области физики СВЧ-колебаний, заслуженный деятель науки РСФСР, кавалер ордена Ленина, за многолетнюю научно-педагогическую деятельность награждённый медалью К. Д. Ушинского[5].

В 1927 г. он закончил физико-математический факультет МГУ, после чего работал в Государственном рентгеновском институте, а также в Московской магнитной лаборатории МГУ. С 1933 г. научная деятельность Малова была связана с МГПИ, в котором он сформировался как преподаватель, и как учёный — доцент, профессор, заведующий КОЭФ (с 1942 по 1954 и с 1958 по 1969 гг.). Научные интересы Малова лежали в области физики колебаний и волн. Это обусловлено тем, что он был одним из учеников В. К. Аркадьева (организатор и первый заведующий Московской магнитной лаборатории МГУ), который, в свою очередь, входил в научную школу П. Н. Лебедева. Её представители разрабатывали методы генерации и исследования электромагнитных волн миллиметрового диапазона. В довоенные годы Малов проводил исследования, посвящённые изучению физических основ распространения электромагнитных волн СВЧ-диапазона в волноводах сложного сечения.

Постепенно тематика радиофизических исследований на КОЭФ расширялась: сотрудники кафедры работали над такими проблемами, как распространение электромагнитных колебаний в волноводах разного сечения, изучали собственную и примесную проводимость полупроводников, конструировали и испытывали в действии различную радиотехническую аппаратуру и др. В 1940 г. Малов защитил диссертацию на соискание учёной степени доктора физико-математических наук. В годы войны под его руководством были получены результаты, которые легли в основу теории распространения СВЧ-колебаний в волноводах.

После создания ПРФЛ Малов в течение 10 лет был её научным руководителем. Значительное внимание он уделял вопросам преподавания курса общей физики, разработке научно-методических материалов по физике для преподавателей и студентов. За годы работы в МГПИ Малов создал крупную научную школу в области радиофизики (прежде всего физики СВЧ-колебаний), подготовил материально-техническую базу для организации и проведения на КОЭФ научной и педагогической работы. Под его руководством 14 человек стали кандидатами наук, а некоторые из них стали докторами наук, в том числе Гершензон и Эткин.

Н. В. Александров (1922—1980) — кандидат физико-математических наук, профессор, член-корреспондент Академии педагогических наук (АПН) СССР, декан физико-математического факультета, проректор МГПИ им. В. И. Ленина (1954—1961), первый заместитель министра просвещения РСФСР (1964—1980)[6].

В 1939 г. он окончил с отличием среднюю школу и поступил на физико-математический факультет Московского индустриально-педагогического института им. К. Либкнехта. Вместе с институтом в 1942 г. Александров был эвакуирован в Ойрот-Туру (в настоящее время Горно-Алтайск), где закончил 3-й курс обучения и в июле того же года ушёл добровольцем на фронт. В 1945 г. Александров продолжил обучение на физико-математическом факультете МГПИ. Он был принят в аспирантуру при КОЭФ, после окончания которой в 1950 г. начал преподавательскую деятельность. Будучи проректором МГПИ, Александров руководил процессом слияния Московского городского педагогического института им. В. И. Потёмкина и МГПИ им. В. И. Ленина в один вуз (1961), ставший ведущим в системе педагогического образования СССР.

Одновременно с преподавательской и общественной деятельностью Александров занимался организацией научной работы в МГПИ. Под его руководством в 1970-е гг. в АПН СССР была разработана и принята программа по созданию комплектов учебно-методических пособий по физике для педагогических вузов. Совместно с А. Я. Яшкиным Н. В. Александров написал учебник по курсу физики (том «Механика»), под его редакцией были опубликованы задачники-практикумы по курсу общей физики. При содействии и поддержке Александрова МГПИ был выделен земельный участок в Тропарёве-Никулине, спроектировано здание и завершён первый этап строительства корпуса гуманитарных факультетов; созданы типография, вычислительный центр и издательство МГПИ и пр.

Е. М. Гершензон (1930–2001) — доктор физико-математических наук, профессор, специалист в области физики полупроводников и сверхпроводников, радиофизики, экспериментальной физики и методики преподавания физики в высшей школе, один из авторов комплекта учебников по физике для педагогических вузов — «Курса общей физики», заслуженный деятель науки РФ, почётный профессор МПГУ[7].

В 1955 г., после трёх лет работы учителем в Куровской средней школе № 1 Московской области, Гершензон продолжил обучение в аспирантуре при КОЭФ МГПИ. После окончания аспирантуры в 1958 г. он в 1958—1959 гг. был ассистентом, в 1959–1960 гг. — старшим преподавателем, в 1960—1967 гг. — доцентом, в 1968—2001 гг. — профессором, в 1969—2001 гг. — заведующим КОЭФ МГПИ. В 1958 г. Гершензон защитил кандидатскую диссертацию «Прохождение сантиметровых электромагнитных волн через продольную ультразвуковую решётку», а в 1966 г. — докторскую диссертацию «Вопросы исследования и применения взаимодействия свободных носителей заряда в полупроводниках со сверхвысокочастотными электромагнитными колебаниями». С 1959 г. он работал в ПРФЛ МГПИ: сначала в качестве заместителя заведующего, а затем — научного руководителя этой лаборатории. В 1980 г. Гершензону в составе авторского коллектива была присвоена Государственная премия СССР за создание субмиллиметровой спектроскопии на основе ламп обратной волны (ЛОВ). Он возглавлял научную школу «Субмиллиметровая спектроскопия сверхпроводников и полупроводников», которая была признана одной из ведущих научных школ России. В 1992 г. за успехи в организации научно-методической работы и развития вузовского физического образования Гершензон был избран членом-корреспондентом Российской академии образования (РАО). Он подготовил более 40 кандидатов наук и 7 докторов наук. К числу его учеников относятся: В. Ф. Банная, А. П. Мельников, Г. Н. Гольцман, В. Н. Александров, А. И. Елантьев, А. Д. Семёнов, А. Ю. Казаков, Л. Н. Шестаков и др. После смерти Е. М. Гершензона научным руководителем ПРФЛ (УНРЦ) и заведующим КОЭФ является Г. Н. Гольцман.

Исследования параметрических полупроводниковых устройств (ППУ), выполненные Гершензоном, Эткиным и их сотрудниками, постепенно переросли в цикл работ по созданию сверхмалошумящих СВЧ-приёмников, предназначенных для радиоастрономии и дистанционного мониторинга Земли и Мирового океана. Эти исследования проводились совместно с Институтом космических исследований (ИКИ) АН СССР (далее ИКИ). Один из отделов этого института возглавил Эткин.

В. С. Эткин (1931—1995) — доктор физико-математических наук, профессор, специалист в области радиофизики, аэрокосмических методов зондирования подстилающих поверхностей, методики преподавания физики в высшей школе[8].

В 1954 г., окончив с отличием физико-математический факультет МГПИ, он был рекомендован в аспирантуру при КОЭФ. Обучаясь в аспирантуре, Эткин получил оригинальные результаты, связанные с использованием управляемого скин-эффекта для модуляции СВЧ-колебаний. Они легли в основу кандидатской диссертации, которую Эткин защитил в 1958 г. После этого он был оставлен для продолжения работы на кафедре. В 1964 г. Эткин защитил диссертацию на соискание учёной степени доктора физико-математических наук. Её содержание составили теоретические и экспериментальные ППУ. В 1966 г. вместе с частью своего коллектива он перешёл из МГПИ в ИКИ. В 1968—1972 гг. Эткин был заведующим отделом радиофизики в этом институте, в 1972—1974 гг. заведующим лабораторией, в 1974—1994 гг. заведующим отделом прикладной космической физики (отдел № 26, впоследствии № 63, позднее отдел № 55 «Исследование Земли из космоса»). Он совмещал эту работу с преподаванием на КОЭФ и руководством на общественных началах радиофизическим сектором ПРФЛ.

Тематика научных работ Эткина включает:

  • изучение устройства, принципа действия различных СВЧ-приборов, их разработка и применение (в том числе полупроводниковые параметрические усилители, усилители на туннельных диодах, невзаимные ферритовые СВЧ-устройства);
  • работы в области бионики;
  • разработка и внедрение аэрокосмических методов зондирования подстилающих поверхностей;
  • изучение климатических взаимосвязей океана и атмосферы и др.

После перехода в ИКИ первоначальные усилия Эткина и руководимого им коллектива были направлены на применение ППУ в радиоастрономии и космической связи. С начала 1970-х гг. магистральным направлением его научного творчества стало дистанционное зондирование Земли (ДЗЗ) радиофизическими методами. Приобретённый ранее опыт создания ППУ СВЧ-колебаний сотрудники Эткина применили при разработке высокочувствительных СВЧ-радиометров для дистанционной диагностики суши и океана с самолётов и спутников. В 1983 г. за разработку и внедрение малошумящих параметрических устройств на полупроводниковых диодах СВЧ-диапазона Эткин был удостоен Государственной премии СССР.

В ИКИ он создал новое научное направление — дистанционное зондирование поверхности Земли из космоса радиофизическими методами (он называл его космической радиогидрофизикой). В итоге многолетних целенаправленных экспериментов в различных районах Мирового океана (в рамках программы «Океан-И») сотрудники Эткина выполнили исследования разнообразных природных явлений вблизи поверхности океана: внутренних волн в океане, гидрологических фронтов, течений, ленгмюровских ячеек, атмосферных конвективных ячеек, нефтяных и биологических загрязнений и др. Располагая собственными данными о микроволновом тепловом излучении моря, полученными с борта самолёта-лаборатории, Эткин пришёл к выводу, что тепловое излучение морской поверхности подчиняется резонансным закономерностям. Резонансная модель излучения (резонансный механизм Эткина — Кравцова) была подтверждена экспериментально, на её основе было предсказано, а затем обнаружено явление анизотропии теплового излучения морской поверхности. Её открытие сделало возможными высокоточные измерения скорости и направления приводного ветра[9].

В 1992 г. Эткину удалось запустить масштабный российско-американский проект JUSREX’92 («Joint US/Russia Internal Waves Remote Sensing Experiment»). При его проведении использовались самолёты-лаборатории ТУ-134СХ, P-3 и DC-8, а также спутники Алмаз-1 и ERS-1. Исследования проводились в Атлантическом океане к юго-востоку от Нью-Йорка, в шельфовой экономической зоне США. В эксперименте участвовало также научно-исследовательское судно «Академик Иоффе», на котором работали отряды ИКИ, Института прикладной физики РАН, Института океанологии РАН и группа сотрудников Лаборатории прикладной физики (Университет Джонса Хопкинса, Балтимор, США), руководимая Дж. Апелем и Р. Чепманом. Кроме того, к эксперименту был привлечен российский спутник, снабжённый радаром с синтезированной апертурой.

Основная цель эксперимента «JUSREX’92» состояла в исследовании взаимосвязи между параметрами спектра шероховатости морской поверхности, величиной обратного рассеяния радиолокационного сигнала и яркостной температуры в микроволновом диапазоне при различных метеорологических условиях. Другая цель заключалась в сравнении радиометрических, радарных, оптических и контактных методов исследования океана. Полученные результаты оказали мощное влияние на развитие методов исследования морской поверхности.

Значительное Эткин уделял вопросам преподавания в МГПИ (МПГУ). Он руководил аспирантами и стажёрами КОЭФ и соискателями из числа сотрудников ПРФЛ, читал студентам разные курсы. Вместе с профессорами МГПИ (МПГУ) Н. Н. Маловым, Е. М. Гершензоном и А. Н. Мансуровым В. С. Эткин стал соавтором многотомного курса общей физики — первого в нашей стране системного курса, предназначенного специально для студентов педагогических вузов. Эткин создал крупную научную школу в области радиофизики. Он воспитал множество учеников (многие из них стали кандидатами и докторами наук), к числу которых относятся: И. А. Струков, П. П. Бобров, Г. С. Бордонский, А. А. Наумов, Г. И. Рожкова, В. Г. Ирисов, В. Е. Гершензон.

Сектор бионики ПРФЛ

Проявив незаурядные организаторские способности, Эткин в 1960 х гг. инициировал создание в ПРФЛ сектора для изучения биологических объектов как сложных нелинейных физических систем[10]. В 1963 г. его ученица Г. И. Рожкова была назначена руководителем сектора бионики ПРФЛ. Помимо неё и В. С. Эткина, в сектор бионики ПРФЛ в разное время входили Е. Д. Петровская, В. С. Токарева, Ю. А. Лесс, А. Т. Уголев, В. И. Каплан, Н. А. Полищук и др. Все сотрудники этого сектора обладали профессиональными навыками постановки и проведения физического (в отдельных случаях и радиофизического) эксперимента, методиками обработки и интерпретации полученных результатов. Благодаря этому исследования сектора бионики ПРФЛ по переработке звуковых сигналов в механо-акустической системе насекомых сразу обратили на себя внимание специалистов-биологов. Научные исследования в секторе бионики ПРФЛ велись по следующим направлениям:

  • изучение механизма работы волосковых слуховых рецепторов насекомых и анализа звуковых сигналов в ганглиозных узлах;
  • рассмотрение характеристик одиночных рецепторов церкальной слуховой системы домового сверчка;
  • измерении акустических порогов у домового сверчка;
  • анализ работы слуховых нейронов сверчка как элементов информационной системы и др.

Несмотря на ряд интересных и перспективных исследований, выполненных сотрудниками сектора бионики ПРФЛ, в начале 1970 х гг. было принято решение о сужении тематики работы всех секторов ПРФЛ. Это коснулось и биологического направления ПРФЛ. Кроме того, в это время Эткин перешёл в ИКИ и сосредоточил усилия своих сотрудников на применение ППУ в радиоастрономии и разработку методов дистанционного зондирования Земли. Руководитель сектора бионики ПРФЛ Г. И. Рожкова вскоре стала работать в лаборатории биофизики зрения (впоследствии — лаборатории переработки информации в сенсорных системах) Института проблем передачи информации (ИППИ) АН СССР (ныне Институт проблем передачи информации РАН им. А. А. Харкевича), так как в ИКИ не проводилось работ в области бионики.

Заведующие ПРФЛ

undefined

После Н. В. Александровна заведующим ПРФЛ до середины 1971 г. был А. С. Лобарев. С 1 октября 1971 г. эту должность занимал А. А. Глотов. В 1962 г. он поступил в Московский институт радиоэлектроники и горной электромеханики (ныне Московский государственный горный университет), в 1971 г. окончил полный курс Карачаево-Черкесского государственного педагогического института по специальности «математика». В МГПИ Глотов работал с 1954 г. и проявил себя способным инженером, конструктором и руководителем научно-технического коллектива.

За время его работы в должности заведующего ПРФЛ:

  • был создан криогенный комплекс;
  • были освоены новые производственные площади;
  • был организован экспериментальный полигон на Кавказе;
  • был выполнен большой объём научно-исследовательских работ;
  • были проведены научные экспедиции на Чёрном и Каспийском морях, на Севере и Дальнем Востоке.

По словам профессора КОЭФ МГПИ (МПГУ) В. А. Ильина: «высокий научный авторитет ПРФЛ, её материальная база, работоспособный коллектив во многом являются результатом деятельности А. А. Глотова». После Глотова заведующим ПРФЛ был В. Г. Мировский. В этой должности его сменил А. Л. Дзарданов. В 2001 г. ПРФЛ и ряд лабораторий учебного практикума КОЭФ были преобразованы в Учебно-научный радиофизический центр МПГУ. С 2008 г. его директором является О. В. Окунев[11].

Лаборатория квантовых детекторов

В 2013 г. в МПГУ была создана лаборатория квантовых детекторов, в которой сотрудниками УНРЦ разрабатываются технологии создания ультратонких сверхпроводниковых плёнок для последующего производства на их основе быстродействующих и высокочувствительных детекторов электромагнитного излучения видимого, инфракрасного и терагерцового диапазонов. Руководителем лаборатории квантовых детекторов (в рамках мегагранта Правительства РФ) является Т. Клапвик — специалист в области неравновесной сверхпроводимости, профессор квантовых наносистем Технологического университета г. Делфт (Нидерланды)[12].

Направления научных исследований

Изображена обложка книги В. С. Эткина и Е. М. Гершензона «Параметрические системы СВЧ на полупроводниковых диодах» (1964)

В довоенный период и первые послевоенные годы работы научной радиофизической школы КОЭФ были связаны с исследованиями в области физики СВЧ-колебаний. Дальнейшее развитие научной деятельности КОЭФ происходило в рамках ПРФЛ. Именно в ней в конце 1950-х — начале 1960-х гг. под руководством Эткина и Гершензона были сконструированы и испытаны в действии первые в СССР малошумящие параметрические усилители СВЧ на полупроводниковых диодах[13]. Они нашли применение в радиолокации, радиоастрономии, в дистанционном зондировании подстилающих поверхностей. Дальнейшие работы по разработке и применению малошумящих ППУ привели Гершензона, Эткина и их коллег к написанию монографии «Параметрические системы СВЧ на полупроводниковых диодах» (1964). Она стала заметным явлением в отечественной литературе по радиоэлектронике. В этой монографии, а также в многочисленных печатных работах Гершензона, Эткина и их сотрудников были:

  • предложены основы расчёта ППУ СВЧ-колебаний;
  • сконструированы и реализованы несколько типов ППУ, ставших базовыми для промышленности и научных исследований;
  • изучены вопросы повышения их чувствительности и расширения полосы пропускания;
  • исследованы многочастотные параметрические системы с одним или несколькими переменными параметрами.

В 1960–1970-х гг. фронт исследований научной радиофизической школы МГПИ существенно расширился. Значительное внимание уделялось изучению физических процессов в идеальных полупроводниковых кристаллах[14]. Коллектив сотрудников ПРФЛ проводил исследования слабосвязанных состояний в таких кристаллах и работал над созданием приборов на их основе. Гершензоном и его коллегами были выполнены теоретические и экспериментальные исследования магниторезонансных явлений в высокочистых монокристаллических материалах — германии (Ge), кремнии (Si), антимониде индия (InSb) и др. В результате экспериментальных работ была разработана уникальная радиоспектроскопическая аппаратура, а полученные с её помощью результаты исследований вошли в золотой фонд физики полупроводников.

Используя методы ЛОВ-спектроскопии, сотрудники ПРФЛ изучали:

Именно в ПРФЛ работала первая в нашей стране установка для исследования полупроводников при сверхнизких (до ~ 0,3 К) температурах.

Спектроскопическими методами были обнаружены отрицательно заряженные мелкие донорные примеси и положительно заряженные акцепторные примеси в полупроводниках (Ge, Si) и др. Эти работы позволили не только исчерпывающе объяснить ряд физических явлений (например, спиновую релаксацию электронов проводимости в сильно легированных полупроводниках), но и разработать новые методы измерения параметров сверхчистых полупроводников (Ge, Si, InSb), позволившие усовершенствовать методы их дальнейшей очистки и легирования. Спектроскопические исследования полупроводников в субмиллиметровом диапазоне волн привели сотрудников Гершензона к аналогичному изучению сверхпроводников и сверхпроводниковых структур. В дальнейшем это направление работ возглавил Гольцман.

К одному из магистральных направлений исследований радиофизической школы МПГУ относятся неравновесные явления и пространственно неоднородные процессы в сверхпроводниковых наноструктурах — ультратонких плёнках толщиной в несколько атомных слоев, узких сверхпроводящих полосках и мостиках[15]. Полученные при этом результаты легли в основу ряда прикладных проектов. Физические явления, впервые обнаруженные и изученные в ПРФЛ (УНРЦ), были положены в основу работы новых типов приёмников терагерцового и инфракрасного диапазона. Эти устройства по чувствительности, быстродействию и частотному диапазону не имеют аналогов ни в РФ, ни за рубежом. Практическое применение приборы, созданные на базе сверхпроводниковых наноструктур, находят в:

  • радиоастрономии терагерцового диапазона при исследовании звёздообразований в молекулярных облаках и пылевых туманностях;
  • дистанционном зондировании верхних слоёв атмосферы для анализа состояния озонового слоя и исследования деталей механизма глобального потепления климата Земли.

Сотрудники УНРЦ работают над решением проблемы оптимального выбора сверхпроводящих материалов для создания чувствительных детекторов электромагнитного излучения инфракрасного диапазона. Актуальной задачей является создание многоэлементных однофотонных детекторов ближнего и дальнего инфракрасного диапазона с низким уровнем шума при температурах выше 1 К. Перед сотрудниками радиофизической школы МПГУ стоит задача создания матрицы однофотонных детекторов, которые станут основой системы построения изображения от однофотонных источников в инфракрасном диапазоне.

Сотрудники УНРЦ проводят исследования в области квантовых технологий, развитие которых обеспечивает создание элементной базы нанофотоники, которая является основой для квантовой информатики, криптографии, сенсорики, телекоммуникаций. Такие исследования имеют высокую прикладную значимость. Приоритетными направлениями УНРЦ являются:

  • разработка перспективных методов оптических квантовых вычислений и квантовых коммуникаций;
  • создание новых оптических материалов, элементов фотоники, интегральной оптики, нанофотоники, метаматериалов и метаповерхностей;
  • развитие методов генерации, усиления, преобразования и приёма электромагнитных волн;
  • решение фундаментальных проблем физической электроники.

Сотрудниками УНРЦ проводятся исследования, направленные на создание действующего прототипа квантово-криптографической системы связи (предельная дальность 320 км) с использованием волноводных сверхпроводящих однофотонных детекторов (WSSPD — «Waveguide Superconducting Single Photon Detectors») на чипе. Целью исследований является создание лабораторной модели системы распределения квантового ключа с поляризационным кодированием сигнала и использованием ловушечных состояний. Работы выполняются в сотрудничестве с группой из Технологического института г. Карлсруэ, возглавляемой В. Пернайсом.

Научная радиофизическая школа МПГУ также работает над созданием технологии передачи квантового ключа с помощью спутника: из одной точки на Земле на спутник отправляется оптический сигнал с информацией о ключе, далее он отражается от зеркала на спутнике и попадает в другую точку на Земле. Другими словами, квантовый ключ передаётся на большое расстояние в свободном пространстве. Квантовые ключи можно использовать для передачи конфиденциальной информации о финансах, например, из одного банка в другой. Данная технология может оказаться эффективной и для обмена информацией с движущимися объектами, в частности в железнодорожных перевозках.

Достижения ПРФЛ (УНРЦ)

Наиболее важным достижением ПРФЛ стало обнаружение, теоретическое обоснование и детальное изучение эффектов, связанных с разогревом электронов в сверхпроводниках, находящихся в резистивном состоянии[16][17].

Основная статья: Эффект разогрева электронов в тонких сверхпроводящих плёнках

На основе эффекта электронного разогрева в тонких сверхпроводящих плёнках сотрудниками ПРФЛ (УНРЦ) были разработаны рекордные по характеристикам малошумящие и широкополосные смесители терагерцевого диапазона, требующих малой мощности гетеродина, а также сверхпроводниковые однофотонные инфракрасные и оптические детекторы, обладающие пикосекундным быстродействием, высокой квантовой эффективности и рекордно малым числом ложных срабатываний.

Полупроводниковые смесители на «горячих электронах» разрабатывались в 1960-х гг. Наибольшее распространение получил такой смеситель из материала n-InSb. Демонстрируя рекордно низкую по тем временам шумовую температуру на субмиллиметровых волнах (500 К на частоте 500 ГГц), он в то же время обладал, двумя существенными недостатками[18]:

  • высокая чувствительность реализуется при высокой подвижности и довольно низкой концентрации электронов, так что поглощение излучения электронным газом начинает падать с ростом частоты ω уже в субмиллиметровом диапазоне длин волн, и для работы на высоких частотах необходимо резонансное магнитное поле (циклотронный резонанс);
  • время релаксации энергии электронов велико (порядка с), и полоса такого смесителя оказывается слишком узкой (около 1 МГц).

Оба этих недостатка были преодолены в сверхпроводниковых HEB-смесителях на горячих электронах. Первая работа, посвящённая таким устройствам, была опубликована в 1990 г. Она стала продолжением работ по исследованию релаксации энергии электронов в разупорядоченных металлах и сверхпроводниках. На основе эффекта электронного разогрева в тонких сверхпроводящих пленках сотрудниками ПРФЛ (УНРЦ) были сконструированы быстродействующие приёмники излучения с чрезвычайно широкой полосой частот, из которых наиболее перспективны сверхпроводниковый HEB-смеситель («Hot electron bolometer» — «Болометр на горячих электронах») и однофотонный детектор[19].

Во многих отечественных и зарубежных проектах в области терагерцовой астрономии и зондирования верхней атмосферы Земли применяют сверхпроводниковые смесители на горячих электронах, разработанные радиофизической школой МПГУ[20].

HEB-смесители были установлены в терагерцовой обсерватории, расположенной в пустыне Атакама (Чили). Она принадлежит Смитсонианскому астрофизическому центру Гарвардского университета (США). В течение нескольких лет телескоп RLT (Receiver Lab Telescope) был единственным в мире работающим наземным терагерцовым телескопом с супергетеродинным приёмником на частотах 1,03, 1,26 и 1,46 ТГц. В сферу задач этой обсерватории входят исследования нейтронных звёзд, находящихся в центральной части газопылевых оболочек, образовавшихся при взрыве сверхновых звёзд. Для этого обсерватория оснащена радиотелескопом, сигнал с которого поступает на криогенный приёмник. Его чувствительным элементом является электронный болометр, созданный сотрудниками УНРЦ.

Терагерцовый HEB-смеситель был установлен на европейском космическом телескопе Гершель. Он был запущен 14 мая 2009 г. с космодрома Куру с помощью ракеты-носителя «Ариан-5» и стал первой космической обсерваторией, полностью работающей в длинноволновой области инфракрасного излучения. Российский вклад в проект — это терагерцовый приёмник, разработанный в УНРЦ МПГУ. HEB-смесители (диапазон частот 1,5–1,9 ТГц) для этого телескопа были созданы совместно МПГУ и Техническим университетом Чалмерса (Гётеборг, Швеция).

Геофизическое применение HEB-смесителей проводилось в рамках проекта TELIS (Terahertz Limb Sounder)[21]. TELIS был разработан консорциумом европейских институтов, включая DLR (Немецкий центр авиации и космонавтики) и SRON (Нидерландский институт космических исследований). TELIS — это гетеродинный спектрометр для дистанционного исследования атмосферы Земли с борта высотного аэростата в диапазоне частот 450–650 ГГц. TELIS имеет высокое спектральное разрешение (около 2,3 МГц при полосе 2 ГГц) и короткий интервал измерений (менее 3 с на каждый спектр). В этом проекте проводилась совместная работа УНРЦ с DLR. TELIS участвовал в двух успешных кампаниях: в марте 2009 и январе 2010 гг. Обе кампании проводились на полигоне Esrange в Швеции, высота полёта составляла — 30–35 км. В ходе исследований были, в частности, измерены спектры различных газовых составляющих, в том числе ClO и BrO, ответственных за разрушение озонового слоя Земли.

Совместно с DLR сотрудники УНРЦ вели исследования в рамках проекта SOFIA (в нём также участвовала NASA) — Stratospheric Observatory For Infrared Astronomy (Стратосферная обсерватория для ИК астрономии) с терагерцовым каналом 4,7 ТГц. В рамках этого проекта был создан телескоп системы Кассегрена, который работал с борта самолёта Boeing 747SP. В 2015 г. с помощью инструментов обсерватории SOFIA было доказано, что сверхновые являются основными производителями космической пыли в галактиках.

Создание сверхпроводниковых однофотонных инфракрасных детекторов (SSPD — «Superconducting single photon detector») является результатом фундаментальных исследований неравновесных релаксационных явлений в тонких сверхпроводящих плёнках, проводившихся в научной радиофизической школе МГПИ в 1980-х гг. В ходе работ были обнаружены фотоиндуцированные центры проскальзывания фазы в токонесущей тонкой сверхпроводящей плёнке, разработаны однофотонные ИК детекторов с уникальными характеристиками[22].

По мере продвижения супергетеродинной техники в высокие частоты оказалось, что наиболее малошумящие смесители субтерагерцового диапазона — туннельные переходы сверхпроводник–изолятор–сверхпроводник (SIS) — резко теряют чувствительность на частоте около 1 ТГц, которая близка к величине энергетической щели в сверхпроводнике (чаще всего Nb). Вместе с тем, сверхпроводниковые однофотонные детекторы SSPD, работающие на основе эффекта электронного разогрева в тонких сверхпроводящих плёнках, не имеют принципиальных ограничений со стороны высоких частот, демонстрируют высокую чувствительность при малой мощности гетеродина. SSPD работают в очень широком диапазоне (от ультрафиолетовых до инфракрасных волн) и способны регистрировать световые потоки от приблизительно одного фотона в минуту, до — фотонов в секунду.

В УНРЦ был создан новый тип инфракрасного приёмника, способного регистрировать отдельные фотоны. Этот прибор позволяет улавливать импульсы излучения любого транзистора, входящего в состав микропроцессора или другой интегральной схемы.

Подготовка научных кадров

Фотография предоставлена

В коллективе УНРЦ развиваются традиции многоступенчатой подготовки научных кадров, заложенные Гершензоном[20]. Профессора и доценты привлекают к научным исследованиям студентов. Лучшие из студентов и магистров направляются в аспирантуру и привлекаются к выполнению научно-исследовательских работ. Аспиранты и магистранты попадают в коллектив, где под руководством опытных научных сотрудников:

  • осваивают современные методы исследований сверхпроводниковых наноструктур, технологические процессы их производства;
  • овладевают методами обработки экспериментальных данных и теоретического анализа;
  • работают над решением фундаментальной или прикладной задачи.

Современная традиция, сложившаяся в УНРЦ, — это организация зарубежных стажировок для молодых учёных и аспирантов в научно-исследовательские центры мирового уровня (Гарвардский университет, Бостонский университет, Институт планетных исследований в Берлине и др.). Сотрудники УНРЦ проводят работы по совместным проектам в исследовательских центрах США, Китая, Германии, Франции, Швеции, Швейцарии и Голландии.

УНРЦ обеспечивает подготовку квалифицированных специалистов в области нанофотоники и технологии наноструктур с навыками прикладной работы, знаниями технологического процесса изготовления наноструктур и способностями к полноценной научной и инженерной работе. Такие специалисты могут работать в малых инновационных компаниях ООО «Сверхпроводниковые нанотехнологии» («Сконтел») и ООО «Терагерцовая и инфракрасная фотоника», которые были созданы преподавателями, сотрудниками и молодыми учёными УНРЦ. В результате образуется научная, техническая и образовательная структура, технологически оснащённая на мировом уровне и укомплектованная квалифицированными кадрами. Как отмечает Гольцман, «… мы занимаемся и фундаментальными исследованиями, и прикладными разработками, развитием технологий и их коммерциализацией, т. е. мы осуществляем полный инновационный цикл. Результатом работы являются не только статьи в высокорейтинговых научных журналах, новые технологии и практические устройства, но и, главное, специалисты с высокой квалификацией, либо продолжающие дальше академическую карьеру (фундаментальная наука и преподавание в университетах), либо работающие на предприятиях в научно-технической сфере»[23].

Фотография предоставлена УНРЦ

За более чем полувековой период деятельности ПРФЛ (УНРЦ) из её стен вышли известные учёные-радиофизики[24]. Среди них доктора физико-математических наук:

  • Ю. А. Гурвич — специалист в области теории резонансных явлений в полупроводниках;
  • Л. Б. Литвак-Горская, А. П. Мельников — специалисты в области физики полупроводников;
  • В. А. Ильин — специалист в области прикладной сверхпроводимости, автор первого корабельного комплекса широкополосных радиометров гелиевого уровня охлаждения;
  • Ю. Л. Хотунцев, А. Н. Мансуров — специалисты в области СВЧ-радиофизики;
  • Г. М. Чулкова — специалист в области кинетики неравновесных процессов в сверхпроводниках, сверхпроводниковых наноструктур и создания сверхпроводниковых однофотонных детекторов;
  • И. А. Струков — астрофизик-экспериментатор, фактический первооткрыватель анизотропии реликтового излучения и др.

Признанием выдающихся научных достижений радиофизической школы МПГУ стало присуждение в 2017 г. Гольцману международной премии IEEE («The Institute of Electrical and Electronics Engineers» — «Институт инженеров электроники и электротехники»). Она была ему вручена за изобретение и продвижение болометрического смесителя на горячих электронах, сверхпроводящего однофотонного детектора, а также за вклад в понимание процессов релаксации энергии электронов в примесных сверхпроводящих плёнках[25].

Материально-техническая база

Фотография предоставлена УНРЦ

С самого начала появления грантовой системы в РФ научная радиофизическая школа МПГУ участвовала во многих конкурсах и получала большое количество грантов. Исторически, первый конкурс проводил Научный совет по сверхпроводимости, который был создан Комиссией Совета Министров СССР под председательством Н. И. Рыжкова. Полученный в 1989—1991 гг. грант позволил приобрести современное по тем временам оборудование для проведения исследований. Поскольку большая часть экспериментальной работы УНРЦ связана с низкими температурами, то одним из самых необходимых материалов является жидкий гелий (его потребление составляет около 4000 л в год). Его ожижение производится на собственной криогенной станции. В 2003 г. в компании IBM было принято решение для проведения совместных работ подарить сотрудникам УНРЦ высококлассный электронный микроскоп, который был ими доработан до электронного литографа, позволяющего изготавливать наноструктуры с размером в плане менее 50 нм. В результате была разработана технология изготовления сверхпроводниковых наноструктур с характерным размером в плане меньше 100 нм.

УНРЦ оснащён измерительным и технологическим оборудованием, к которому относятся[26]:

  • напылительные установки;
  • установки совмещения и ионного травления;
  • система очистки воды;
  • источники и приёмники терагерцового излучения;
  • спектрометры и лазеры;
  • десятки радиоизмерительных приборов;
  • парк из 20 компьютеров;
  • станция ожижения гелия;
  • различные криостаты и сверхпроводящие магниты.
Фотография предоставлена УНРЦ

За годы работы в УНРЦ создана уникальная для вузов России материально-техническая база, позволяющая изготавливать и исследовать тонкоплёночные сверхпроводниковые наноструктуры.

Примечания

  1. ↑ Учебно-научный радиофизический центр. МПГУ.
  2. ↑ Научная школа на кафедре общей и экспериментальной физики МПГУ. Проблемная радиофизическая лаборатория (ПРФЛ).
  3. ↑ Кудрявцев В. В., Гольцман Г. Н., Ильин В. А. Радиофизика в истории МПГУ // История науки и техники : Журнал. — 2009. — № 9. — С. 10–23. — ISSN 1813-100X.
  4. ↑ Г. Н. Гольцман, Г. М. Чулкова. Научная радиофизическая школа Московского государственного педагогического университета // История науки и техники : Журнал. — 2016. — № 1. — С. 80—89. — ISSN 1813-100X.
  5. ↑ Малов Николай Николаевич. Учёные МПГУ.
  6. ↑ Николай Васильевич Александров. Учёные МПГУ.
  7. ↑ Евгений Михайлович Гершензон. Учёные МПГУ.
  8. ↑ Валентин Семёнович Эткин. Учёные МПГУ.
  9. ↑ Булатов М. Г., Кузьмин А. В., Лаврова О. Ю., Митягина М. И., Поспелов М. Н., Раев М. Д., Скворцов Е. И., Шарков Е. А. Развитие радиофизических методов и средств дистанционных исследований океана. ИКИ РАН.
  10. ↑ В. В. Кудрявцев. Валентин Семёнович Эткин: учёный, организатор науки, педагог. — М.: ИКИ РАН, 2024. — 146 с. — ISBN 978-5-00015-064-1.
  11. ↑ Олег Валерьевич Окунев. Преподаватели МПГУ.
  12. ↑ Лекция физика Теуниса Клапвика «Сверхпроводимость и ее применение». МПГУ (29 мая 2015).
  13. ↑ Г. Н. Гольцман, В. А. Ильин, В. В. Кудрявцев. Радиофизическая научная школа и ее основатель Евгений Михайлович Гершензон (к 80-летию со дня рождения) // История науки и техники : журнал. — 2011. — № 12. — С. 18—27. — ISSN 1813-100X.
  14. ↑ Кудрявцев В. В., Ильин В. А. . Избранные вопросы истории радиофизики. Т. II. Современные достижения. — М.: ООО Издательство «Научтехлитиздат», 2014. — 112 с. — ISBN 978-5-93728-136-4.
  15. ↑ В. А. Ильин, В. В. Кудрявцев. История радиофизики. Модульный курс для магистров : учебное пособие / Министерство образования и науки Российской Федерации, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский педагогический государственный университет". — М.: МПГУ, 2017. — 320 с. — ISBN 978-5-4263-0482-6.
  16. ↑ Гершензон Е. М., Гершензон М. Е., Гольцман Г. Н., Семёнов А. Д., Сергеев А. В. Разогрев квазичастиц в сверхпроводящей плёнке, находящейся в резистивном состоянии // Письма в ЖЭТФ : Журнал. — 1981. — Т. 34, № 5. — С. 281–285. — ISSN 0370-274X.
  17. ↑ Гершензон Е. М., Гершензон М. Е., Гольцман Г. Н., Семёнов А. Д., Сергеев А. В. Неселективное воздействие электромагнитного излучения на сверхпроводящую плёнку в резистивном состоянии // Письма в ЖЭТФ : Журнал. — 1982. — Т. 36, № 7. — С. 241–244. — ISSN 0370-274X.
  18. ↑ Гольцман Г. Н., Лудков Д. Н. Сверхпроводниковые смесители на горячих электронах терагерцового диапазона и их применение в радиоастрономии // Известия вузов. Радиофизика : Журнал. — 2003. — Т. XLVI, № 8–9. — С. 671–687. — ISSN 0021-3462.
  19. ↑ Рябчун C. А., Финкель М. И., Третьяков И. В., Ларионов П. А., Масленникова А. В., Семенов А. В., Ожегов Р. В. Терагерцовые детекторы на эффекте электронного разогрева в ультратонких сверхпроводниковых пленках NbN1 // Преподаватель ХХI век. — 2012. — № 4.
  20. ↑ 1 2 Кудрявцев Василий Владимирович, Чулкова Галина Меркурьевна. Роль научных школ в организации отечественной радиофизики // Управление наукой: теория и практика. — 2020. — № 2.
  21. ↑ О. С. Киселев, А. Б. Ермаков, В. П. Кошелец, Л. В. Филиппенко. Применение сверхпроводникового интегрального приемника в составе инструмента TELIS для спектроскопического исследования атмосферы // Радиотехника и электроника : Журнал. — 2016. — Т. 61, № 11. — С. 1132—1138. — ISSN 0033-8494.
  22. ↑ И. В. Пентин, К. В. Смирнов, Ю. Б. Вахтомин, А. В. Смирнов, Р. В. Ожегов, А. В. Дивочий, Г. Н. Гольцман. [https://old.mipt.ru/upload/df6/Pages_38-42_from_Trud-10-10-arphcxl1tgs.pdf Быстродействующий терагерцевый приемник и инфракрасный счетчик одиночных фотонов на эффекте разогрева электронов в сверхпроводниковых тонкопленочных наноструктурах] // Труды МФТИ : Журнал. — 2011. — Т. 3, № 2. — С. 38—42. — ISSN 2072-6759.
  23. ↑ Пламенная страсть к науке. «Элементы».
  24. ↑ В.В. Кудрявцев. Научные школы в отечественной радиофизике: зарождение, развитие, творческое наследие. Федеральный исследовательский центр Институт прикладной физики им. А.В. Гапонова-Грехова Российской академии наук (раздел "О людях науки").
  25. ↑ Smile-Events. Профессор МПГУ: американская компания благодаря нашим однофотонным детекторам заработала 660 миллионов долларов. Habr (22 февраля 2018).
  26. ↑ Учебно-научный радиофизический центр (УНРЦ) МПГУ. ИФТТ РАН.

Литература

Ссылки

Категории

© Правообладателем данного материала является АНО «Интернет-энциклопедия «РУВИКИ».
Использование данного материала на других сайтах возможно только с согласия АНО «Интернет-энциклопедия «РУВИКИ».