Нанотехнології сьогодні розвиваються прискореними темпами – аж надто привабливими виглядають одержувані від цього вигоди. Але перш ніж перейти до практики, вченим доводиться проводити ретельні теоретичні дослідження, а потім чекати підтвердження своїх розрахунків в експерименті. Такою копіткою аналітичною роботою займається професор кафедри інформаційних систем і комп’ютерного моделювання волгоградського державного університету доктор фізико-математичних наук наталія конобєєва. Вона вивчає гранично короткі імпульси в анізотропному середовищі, що містить вуглецеві нанотрубки. “пошук” попросив молодого вченого розповісти про цю роботу, підтриману грантом президента росії.
– наталія, що являє собою об’єкт ваших досліджень-анізотропне середовище з нанотрубками? 8>–>- разом з колегами ми вивчаємо оптично анізотропні середовища – такі, в яких по-різному проявляються оптичні властивості в залежності від напрямку хвиль, – розповідає н.конобєєва. – у нашому випадку мова йде про таке явище, як двопроменеве. Пучок світла розщеплюється на дві частини, які поширюються з різними швидкостями і поляризовані в двох перпендикулярних площинах.
Середовища, які є об’єктом нашої уваги, містять вуглецеві нанотрубки. Вони мають унікальні властивості і мають велике практичне значення в різних областях науки і техніки. Зараз ми досліджуємо здатність нанотрубок надавати стабілізуючу дію на поширення лазерних імпульсів, що дозволяє використовувати їх при розробці пристроїв сучасної опто – і наноелектроніки. Це оптичні хвилеводи, перемикачі та багато іншого.
– які імпульси вважаються короткими? – це імпульси тривалістю кілька періодів коливань поля. Якщо на зорі досліджень працювали з пікосекундною тривалістю (10-12 секунди), то тепер вдалося отримати аттосекундні імпульси, які на шість порядків коротше.
– як я зрозуміла, джерело у них – лазер? – так, правильно, це лазери, що генерують імпульси. Властивості середовища допомагають нам контролювати їх форму і інтенсивність, тобто управляти формуванням потужного електромагнітного випромінювання з необхідними параметрами. Фізичні ефекти, що виникають при поширенні гранично коротких імпульсів в нелінійних середовищах, можуть бути покладені в основу роботи нових систем передачі енергії, оптичної обробки інформації та інших компактних пристроїв для елементної бази сучасної оптоелектроніки на основі різних мікро – і наноструктур.
– але у вашої роботи все-таки фундаментальний ухил… – так, наша група займається теоретичними дослідженнями взаємодії лазерного випромінювання з різними нелінійними середовищами. Спочатку розробляємо математичні моделі такої взаємодії з урахуванням властивостей середовища. Потім проводимо комп’ютерне моделювання, в тому числі з використанням сучасних інформаційних технологій (розпаралелювання, оптимізація коду). Наступний крок-порівняння результатів теоретичних досліджень з наявними експериментальними даними, отриманими іншими вченими. Так ми перевіряємо побудовані моделі.експерименти ми не проводимо, так як в нашому розпорядженні немає лазерів гранично коротких оптичних імпульсів і засобів їх вимірювання. Але вони є в інших установах, з якими ми співпрацюємо, наприклад в пітерському університеті ітмо. Завдяки такому партнерству ми можемо порівнювати теорію з експериментом.
Хочеться підкреслити важливість теоретичних досліджень. Саме вони дозволяють передбачити багато цікаві явища і властивості матеріалів – до того, як з’явиться можливість провести експеримент. Але в цьому криється і проблема, так як іноді доводиться довго чекати підтвердження теоретичних результатів. Наприклад, ми передбачили можливість посилення гранично коротких оптичних імпульсів при поширенні в середовищі з графеном (спорідненої вуглецевим нанотрубкам структурою), і тільки через кілька років з’явилися відповідні експериментальні роботи.
Зазначу, що моя основна діяльність пов’язана з викладанням, і це дозволяє активно залучати до досліджень студентів нашого університету, залучати їх до фундаментальних розробок. Багато з них-володарі іменних стипендій, дипломанти наукових конференцій. У нашому проекті учні займаються пошуком оптимального методу чисельної реалізації розроблених моделей і написанням комп’ютерних програм. Вважаю це важливим етапом при проведенні досліджень, оскільки з’являється можливість передати свій досвід і підготувати зміну не тільки в педагогічному, а й в науковому середовищі.
– напевно тема, яку ви розробляєте, не нова. У чому родзинка ваших досліджень? 8>–>- у світі я знаю кілька наукових груп, які займаються подібними теоретичними дослідженнями. Наприклад, з румунського національного інституту фізики та ядерної інженерії та університету тель-авіва. Є також вчені, які працюють над схожою тематикою в росії.
Основна відмінність нашої роботи в тому, що ми намагаємося досконально проводити розрахунки з використанням аналітичних методів. Часто буває, що група відразу після написання рівняння приступає до чисельних експериментів. Це не про нас. Ми хочемо якомога далі просунутися в аналітиці і відкласти чисельне моделювання на самий останній етап.
Такий підхід дозволяє істотно спростити завдання і зменшити час на розрахунки. Часто ми проводимо повне дослідження завдання, витративши достатню кількість часу, а потім відсікаємо малозначимі ефекти, що також допомагає домогтися непоганих результатів як в аналітиці, так і в чисельних розрахунках.
– чому так важливо зменшити час на чисельний розрахунок? зараз з’являється все більше потужних комп’ютерів. Напевно це не проблема. 8>–>- справа в тому, що без використання аналітичних методів комп’ютер завжди завантажений по максимуму. Крім того, не треба забувати, що чисельні методи мають і свої непереборні похибки. Аналітика завжди важливіше, тому що її можна застосувати і в інших, часто вельми несподіваних областях. Конкретний приклад-використання ідей голографічного всесвіту або ads / cft-відповідності для дослідження фазових переходів у твердих тілах.
– припустимо, ви все вивчите і змоделюєте в рамках вашої теми. Що далі? 8>–>- швидше за все, продовжу тематику пошуку умов для стабільного поширення імпульсів в нелінійних середовищах, що містять вуглецеві наноматеріали. Але, як показує практика, часто доводиться поєднувати виконання декількох проектів, в тому числі і в суміжних областях. Зараз дуже популярні міждисциплінарні дослідження. Тому я тільки припускаю, але не загадую.
