Лазерный мир

Нанотехнологии сегодня развиваются ускоренными темпами – уж больно заманчивыми выглядят получаемые от этого выгоды. Но прежде чем перейти к практике, ученым приходится проводить тщательные теоретические исследования, а потом ждать подтверждения своих расчетов в эксперименте. Такой кропотливой аналитической работой занимается профессор кафедры информационных систем и компьютерного моделирования Волгоградского государственного университета доктор физико-математических наук Наталия Конобеева. Она изучает предельно короткие импульсы в анизотропной среде, содержащей углеродные нанотрубки. «Поиск» попросил молодого ученого рассказать об этой работе, поддержанной грантом Президента России.

– Наталия, что представляет собой объект ваших исследований – анизотропная среда с нанотрубками?

– Вместе с коллегами мы изучаем оптически анизотропные среды – такие, в которых по-разному проявляются оптические свойства в зависимости от направления волн, – рассказывает Н.Конобеева. – В нашем случае речь идет о таком явлении, как двулучепреломление. Пучок света расщепляется на две части, которые распространяются с разными скоростями и поляризованы в двух перпендикулярных плоскостях.

Среды, которые являются объектом нашего внимания, содержат углеродные нанотрубки. Они обладают уникальными свойствами и имеют большое практическое значение в разных областях науки и техники. Сейчас мы исследуем способность нанотрубок оказывать стабилизирующее действие на распространение лазерных импульсов, что позволяет использовать их при разработке устройств современной опто- и наноэлектроники. Это оптические волноводы, переключатели и многое другое.

– Какие импульсы считаются короткими?

– Это импульсы длительностью несколько периодов колебаний поля. Если на заре исследований работали с пикосекундной длительностью (10-12 секунды), то теперь удалось получить аттосекундные импульсы, которые на шесть порядков короче.

– Как я поняла, источник у них – лазер?

– Да, правильно, это лазеры, генерирующие импульсы. Свойства среды помогают нам контролировать их форму и интенсивность, то есть управлять формированием мощного электромагнитного излучения с необходимыми параметрами. Физические эффекты, возникающие при распространении предельно коротких импульсов в нелинейных средах, могут быть положены в основу работы новых систем передачи энергии, оптической обработки информации и других компактных устройств для элементной базы современной оптоэлектроники на основе различных микро- и наноструктур.

– Но у вашей работы все-таки фундаментальный уклон…

– Да, наша группа занимается теоретическими исследованиями взаимодействия лазерного излучения с различными нелинейными средами. Сначала разрабатываем математические модели такого взаимодействия с учетом свойств среды. Затем проводим компьютерное моделирование, в том числе с использованием современных информационных технологий (распараллеливание, оптимизация кода). Следующий шаг – сравнение результатов теоретических исследований с имеющимися экспериментальными данными, полученными другими учеными. Так мы проверяем построенные модели. Эксперименты мы не проводим, так как в нашем распоряжении нет лазеров предельно коротких оптических импульсов и средств их измерения. Но они есть в других учреждениях, с которыми мы сотрудничаем, например в питерском Университете ИТМО. Благодаря такому партнерству мы можем сравнивать теорию с экспериментом.

Хочется подчеркнуть важность теоретических исследований. Именно они позволяют предсказать многие интересные явления и свойства материалов – до того, как появится возможность провести эксперимент. Но в этом кроется и проблема, так как иногда приходится долго ждать подтверждения теоретических результатов. Например, мы предсказали возможность усиления предельно коротких оптических импульсов при распространении в среде с графеном (родственной углеродным нанотрубкам структурой), и только через несколько лет появились соответствующие экспериментальные работы.

Отмечу, что моя основная деятельность связана с преподаванием, и это позволяет активно привлекать к исследованиям студентов нашего университета, вовлекать их в фундаментальные разработки. Многие из них – обладатели именных стипендий, дипломанты научных конференций. В нашем проекте учащиеся занимаются поиском оптимального метода численной реализации разработанных моделей и написанием компьютерных программ. Считаю это важным этапом при проведении исследований, поскольку появляется возможность передать свой опыт и подготовить смену не только в педагогической, но и в научной среде.

– Наверняка тема, которую вы разрабатываете, не нова. В чем изюминка ваших исследований?

– В мире я знаю несколько научных групп, которые занимаются подобными теоретическими изысканиями. Например, из румынского Национального института физики и ядерной инженерии и Университета Тель-Авива. Есть также ученые, которые трудятся над схожей тематикой в России.

Основное отличие нашей работы в том, что мы стараемся досконально проводить расчеты с использованием аналитических методов. Часто бывает, что группа сразу после написания уравнения приступает к численным экспериментам. Это не про нас. Мы хотим как можно дальше продвинуться в аналитике и отложить численное моделирование на самый последний этап.

Такой подход позволяет существенно упростить задачу и уменьшить время на расчеты. Часто мы проводим полное исследование задачи, затратив достаточное количество времени, а потом отсекаем малозначимые эффекты, что также помогает добиться неплохих результатов как в аналитике, так и в численных расчетах.

– Почему так важно уменьшить время на численный расчет? Сейчас появляется все больше мощных компьютеров. Наверняка это не проблема.

– Дело в том, что без использования аналитических методов компьютер всегда загружен по максимуму. Кроме того, не надо забывать, что численные методы имеют и свои неустранимые погрешности. Аналитика всегда важнее, потому что ее можно применить и в других, часто весьма неожиданных областях. Конкретный пример – использование идей голографической вселенной или ADS/CFT-соответствия для исследования фазовых переходов в твердых телах.

– Допустим, вы все изучите и смоделируете в рамках вашей темы. Что дальше?

– Скорее всего, продолжу тематику поиска условий для стабильного распространения импульсов в нелинейных средах, содержащих углеродные наноматериалы. Но, как показывает практика, зачастую приходится совмещать выполнение нескольких проектов, в том числе и в смежных областях. Сейчас очень популярны междисциплинарные исследования. Поэтому я только предполагаю, но не загадываю.

Фирюза Янчилина

Источник: https://poisknews.ru/themes/matematika/