ФИЗИКА. Фундаментальная и экспериментальная физика

Кафедра аэрофизики и газовой динамики базируется в Институте теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича СО РАН. Научная работа и специализация студентов, магистрантов и аспирантов кафедры тесно связаны с основными направлениями института:
• математическим моделированием в механике,
• аэрогазодинамикой,
• физико-химической механикой,
• механикой твердого тела, деформации и разрушения.
Математическое моделирование в механике лежит на стыке математики, физики и информатики. Студенты кафедры учатся прогнозировать физические процессы, протекающие в твердых телах, жидкостях, газах и плазме с помощью методов математического моделирования. Как предугадать траекторию аппарата при спуске с орбиты? Как смоделировать осаждение лекарственных аэрозолей в бронхах человека? Как сделать самолеты более экономичными? Обучаясь на нашей кафедре, вы найдете ответы на эти и многие другие вопросы механики. Учебная программа включает курсы по моделированию физических процессов c использованием пакетов компьютерной инженерии, курсы о современных моделях механики сплошной среды. Для проведения подобных расчетов институт обладает централизованными информационно-вычислительными ресурсами.

В ИТПМ СО РАН создан комплекс аэродинамических труб и газодинамических установок для исследования аэродинамических характеристик моделей летательных аппаратов, изучения структуры различных течений при до- и сверхзвуковых скоростях. Малотурбулентная дозвуковая аэродинамическая труба Т-324, благодаря своим уникальным параметрам, позволяет выполнять исследования по возникновению турбулентности в пограничных слоях, методам управления ламинарно-турбулентным переходом, отрывными течениями. Многофункциональный комплекс сверхзвуковых аэродинамических труб, включающий в себя сверхзвуковую аэродинамическую трубу периодического действия Т-313, сверхзвуковую аэродинамическую трубу Т-326 с рабочей частью в виде камеры Эйфеля, малошумную сверхзвуковую аэродинамическую трубу Т-325 и тепловую аэродинамическую трубу Т-333 позволяет осуществлять научные и прикладные исследования при реальных условиях полета летательных аппаратов. Студенты кафедры с третьего курса в обязательном порядке проходят практику в лабораториях базового института на современных аэродинамических установках, благодаря чему они обдуманно выбирают специализацию и последующую работу. Учебная программа кафедры включает курсы по физическим основам и методам аэрофизических экспериментов, динамике вязкого газа, вычислительной аэрогидродинамике, физической газовой динамики, современным проблемам теории устойчивости и турбулентности.

В ИТПМ СО РАН разработан ряд наукоемких технологий, обладающих высоким потенциалом внедрения: технологии плазменной обработки различных материалов, плазменного и холодного газодинамического напыления, технологии лазерной резки, сварки и упрочнения металлических сплавов, технологии производства нанопорошков. Все эти установки не имеют аналогов в мире и позволяют студентам выполнять работы на мировом уровне. Исследования по холодному газодинамическому напылению с использованием лазерного излучения проводятся с использованием синхротронного излучения на установках ИЯФ СО РАН. В дальнейшем такие работы планируется проводить на мегасайнс-установке СКИФ.

Для того, чтобы понять физические механизмы разрушения твердых тел при различных нагрузках, необходимо изучить деформацию тел на разных масштабных уровнях, в том числе атомных. На базе Лаборатории термомеханики и прочности новых материалов методами математического моделирования исследуются процессы пластической деформации тел при ударе о преграду с определением скорости и условий взаимодействия с преградой. Применение метода синхротронного излучения позволяет проводить исследования внутренней структуры контактной области.
Полученные знания дают возможность выпускникам кафедры работать в различных научно-исследовательских центрах аэро-, гидро- и теплофизического профиля, агентствах по охране и мониторингу окружающей среды, а также в государственных и частных фирмах, занимающихся разработкой новых технологий и аппаратов энергетики, авиационно-космической техники, нефтегазовой отрасли.

Кафедра биомедицинской физики одна из кафедр НГУ, работающая на стыках «горячих направлений» в науке. Потребность в подобной специализации на сегодняшний день является одной из самых высоких. Кафедра готовит специалистов в области физики биологических систем, работающих на стыке физики, химии, биологии и медицины. Базовым институтом является Институт химической кинетики и горения им. В.В. Воеводского СО РАН (ИХКГ СО РАН), однако студенты кафедры работают и защищаются в целом спектре научных и биотехнологических учреждений, в том числе институтах СО РАН и СО РАМН, ГНЦ ВБ "Вектор" и т.п. Задача выпускников кафедры - создание новых диагностических методов и техник в биологии и медицине, химии и физике органических систем.

Подготовка ведется по двум основным направлениям:
• изучение физических основ биологических процессов;
• изучение теории и экспериментальное освоение современных физических методов исследования биологических объектов и процессов.
Обучение на кафедре можно назвать индивидуальным, студенты слушают лекции из различных областей физики, химии и биологии. Среди них курсы «Измерения в биологии и медицине», «Биокинетика», «Биохимия», «Цитология и электронная микроскопия», «Микробиология для физиков». Есть и профессиональные курсы, например, «Молекулярная биология», «Химическая кинетика и термодинамика». Среди преподавателей — лидеры своих направлений в науке, признанные во всем мире.

Среди тем, предлагаемых к дипломной практике, такие как:
• Исследование оптических свойств клеток и их динамических характеристик с помощью сканирующей проточной цитометрии;
• Исследование активности головного мозга с помощью функциональной МРТ и создание методик нейрореабилитации на основе биоуправления;
• Моделирование рассеяния света био- и наноструктурами;
• Разработка и исследование новых типов противовирусных вакцин, в том числе ДНК-вакцин;
• Исследование термодинамических параметров и структуры искусственно синтезированных олигонуклеотидов нового типа;
• Исследование молекулярной подвижности липидов и её роли в транспорте молекул через липидную мембрану.

Обучение начинается на 3-м курсе, студенты с самого начала вовлекаются в работу небольших научных коллективов и получают огромные возможности самореализации. Уже к защите диплома магистра активно работающие студенты имеют публикации в ведущих иностранных журналах, участвуют в ведущих международных конференциях, а также получают именные стипендии и персональные гранты. Важно, что студенты имеют возможность публиковаться в биологических журналах, импакт-фактор которых, в среднем, значительно выше, чем физических или химических.

С самого начала своей деятельности студенты участвуют в национальных программах России, направленных на развитие науки и образования и имеют широчайшие возможности ранней поддержки своей деятельности на государственном уровне. В Институте созданы молодежные лаборатории, которые позволяют многократно ускорить профессиональный рост.

Кафедра квантовой оптики базируется в Институте автоматики и электрометрии СО РАН. Название кафедры отражает тот факт, что свет который нас окружает имеет не только волновые, но квантовые свойства. Понимание квантовой природы света позволило создать оптические квантовые генераторы, которые в современную жизнь вошли под названием ЛАЗЕРЫ. Степень использования лазеров и оптических технологий имеет непосредственное влияние на уровень развития современных государств.

Обучаясь на кафедре квантовой оптики студенты получают базовые знания по оптике, физике лазеров, лазерной спектроскопии, нелинейной фотонике, лазерным и волоконно-оптическим технологиям. Начиная с третьего курса появляется возможность получить практические навыки, проходя практику в одной из лабораторий Института автоматики и электрометрии, Института физики полупроводников, Института ядерной физики и НГУ.

Среди потенциальных направлений исследований, по которым студенты получают практические навыки, можно выделить следующие: волоконные лазеры и оптические сенсоры, дифракционная и интегральная оптика, терагерцовая фотоника, спектроскопический анализ веществ и биообъектов, применения лазера на свободных электронах и фемтосекундных лазеров, фотоника микро/нано- структур и метаматериалов. Характеризуя эти направления можно отметить, что волоконная оптика прочно вошла в современную жизнь благодаря развитию оптической связи и интернета, что привело также и к появлению высокоэффективных волоконных лазеров и различных датчиков. Волоконные датчики используются как для контроля деформации и температуры в критических точках различных объектов, так и для мониторинга состояния протяженных объектов, например, газо или нефтепроводов, а также состояния железнодорожного полотна. При этом для опроса волоконных датчиков используются как оптоволоконные устройства, так и компактные фотонные интегральные схемы (ФИС). Дифракционная оптика находит различные применения: от искусственного хрусталика глаза до контроля качества больших зеркал телескопов, используемых для точных астрономических наблюдений. Спектроскопия признана средством диагностики различных веществ и процессов, протекающих в них. Ее используют как в горнодобывающей и металлургической промышленности для анализа состава проб, так и криминалистике. Как пример анализа биообъектов и биопроцессов можно привести криоконсервацию эмбрионов, при которой спектроскопия комбинацонного рассеяния помогает исследователям зарегистрировать различные структурные переходы, возникающие при охлаждении и влияющие на жизнеспособность клеток. Лазер на свободных электронах помогает создавать новые инструменты для анализа веществ. Более компактные фемтосекундные лазеры позволяют проводить сверхскоростную диагностику, а также поверхностную и объемную модификацию материалов, в т.ч. прозрачных, тем самым создавая микро-и наноструктуры с новыми оптическими свойствами.

Обучение включает работу над дипломами бакалавра, магистра, а также возможность дальнейшего поступления в аспирантуру. Освоение практических навыков в лабораториях и изучение теоретических основ на курсах кафедры позволит студентам стать высококвалифицированными специалистами в выбранной области. Выпускники кафедры работают на самых высоких должностях в институтах РАН, вузах, инновационных и крупных промышленных предприятиях, выпускающих наукоемкую продукцию.

Кафедра квантовой электроники базируется в Институте лазерной физики (ИЛФ) СО РАН. ИЛФ СО РАН — один из относительно молодых Институтов, созданных в 1991 году на базе Института теплофизики СО РАН и Института теоретической и прикладной механики СО РАН, хотя история лазерной физики в новосибирском Академгородке начинается с 1962 год.

Основным результатом коллектива Института является создание нового направления спектроскопии - нелинейной лазерной спектроскопии сверхвысокого разрешения. Это направление базируется на созданных методах насыщенного поглощения, двухфотонного поглощения в поле стоячей волны, разнесенных оптических полей и др. Открытие методов получения узких резонансов позволило получить узкие и стабильные атомные молекулярные реперы, к которым можно было привязывать частоту лазера. Сотрудниками будущего ИЛФ были созданы самые монохроматичные источники когерентного электромагнитного излучения в мире с шириной линии 0.05 Гц.

В Институте был развит цикл работ по теории и эксперименту в области квантовой электроники, работ по теории резонансного взаимодействия оптических полей с газом, измерены сечения упругого рассеяния в газе низкого давления, заложено новое направление физики - атомно-оптическая интерферометрия.

Только за последние 5 лет в Институте разработан и исследован миниатюрный квантовый стандарт частоты относительной нестабильностью 9×10–12 за секунду, 3×10–13 за 1000 секунд, 5×10-12 за сутки (совместно с ВНИИФТРИ), превосходящий мировые аналоги, который планируется для использования в навигационных системах нового поколения. В ИЛФ СО РАН создан первый в России оптический стандарт частоты на квадрупольном переходе локализованного в пространстве одиночного иона иттербия-171 с долговременной нестабильностью частоты ~10−17. Предложена новая концепция на основе магнитодипольных (M1) переходов в многозарядных ионах с рекордной относительной неопределенностью частоты лучше 10-20 – 10-21. Получены рекордные в России значения ширины (500 Гц) и фактора качества (1.3×1012) резонанса в оптическом диапазоне, что является существенным шагом вперед на пути создания оптического стандарта частоты на ультрахолодных атомах магния с относительной неопределенностью лучше 10-16.

Впервые выполнен эксперимент, подтверждающий высокую эффективность «гипер-Рамси» спектроскопии — нового метода лазерной спектроскопии сильно запрещенных переходов ультрахолодных атомов и ионов. Проведены эксперименты по наблюдению резонансов Рамси-Борде в ансамбле ультрахолодных атомов магния на интеркомбинационном переходе (длина волны 457 нм). В экспериментах с лазерной плазмой большой энергии E ~ 100 Дж, впервые проведено комплексное моделирование эффектов сверхсжатия магнитосферы под действием Корональных Выбросов Массы (КВМ) большой энергии при наличии фоновой плазмы, имитирующей солнечный ветер и стационарную магнитосферу Земли. Впервые в мире экспериментально продемонстрировано когерентное сложение параметрически усиленных фемтосекундных импульсов. Bпервые же продемонстрирована принципиальная возможность высокоэффективного когерентного сложения оптических полей мультитераваттных фемтосекундных импульсов. Впервые экспериментально доказан и объяснен теоретически новый эффект теплоэлектрического преобразования. Получено преобразование энергии теплового потока в электричество с КПД и качеством на порядок превосходящими аналогичные показатели в существующих на сегодняшний день органических преобразователях.

В ИЛФ СО РАН создана уникальная установка с рекордными параметрами пульсирующей (до 180 кГц) лазерной плазмы с применением которой впервые разработаны (совместно с ИНХ СО РАН и ИХКГ СО РАН) основы промышленно-ориентированных лазерно-плазменных технологий многократного упрочнения поверхности металлов и режущего инструмента, синтеза массивов углеродных нанотрубок на металлах для устройств электроники и суперконденсаторов. В ИЛФ СО РАН впервые продемонстрирована эффективная генерация на длине волны 2091 нм при внутрирезонаторной накачке керамики 1%Ho:YAG излучением дискового тулиевого лазера. В ИЛФ СО РАН разработан и изготовлен двухволновой лазерный аппарат для исследований в медицине и биологии.
И это далеко не полный список!

Наши студенты учатся по системе 4+2, защищают дипломы бакалавра и магистра и могут остаться учиться и работать в аспирантуре. В ходе обучения они получат самые современные и во многом уникальные знания по современной квантовой лазерной метрологии, атомной и молекулярной спектроскопии, лазерной плазмы, воздействию лазерного излучения на атомы, оптоэлектроники. В магистратуре их ждут курсы квантового программирования, в том числе изучение квантовых стандартов частоты, квантовой криптографии, квантовая информатика, кремниевая фотоника, квантовая электродинамика сверхпроводниковых джозефсоновских кубитов и квантовое машинное обучение!

Закончив кафедру квантовой электроники, вы окажетесь на самом передовом крае науки и будете востребованы в любой соответствующей области знаний и производства в мире!

Кафедра радиофизики базируется в Институте ядерной физики (ИЯФ) им. Г.И. Будкера СО РАН. Кафедру можно назвать «технической», чья главная задача — обеспечивать потребности «фундаментальных» направлений ИЯФ: физики элементарных частиц, физики ускорителей, физики плазмы, а также исследований, связанных с синхротронным излучением. И все же это — исследовательская кафедра, и в этом ее основное отличие от аналогичных кафедр в специализированных учебных заведениях, таких как, например, НГТУ. Дело в том, что фундаментальные направления ИЯФ требуют создания принципиально новых измерительных цифровых и аналоговых систем, равных которым зачастую нет не только в России, но и в мире. Если инженерные ВУЗы следуют за новыми разработками, то кафедра радиофизики ФФ НГУ создает их.

Используемые в ИЯФ экспериментальные установки в силу скорости протекания изучаемых процессов не могут эксплуатироваться «в ручном режиме». Большинство экспериментов проводятся с высочайшим уровнем автоматизации и невозможны без нее. При этом постоянно меняющиеся потребности и условия эксперимента требуют регулярного изменения параметров измерительного и управляющего оборудования.
Автоматизация научного эксперимента требует иногда совершенно немыслимых параметров от измерительной и управляющей аппаратуры, тем не менее именно радиофизики ИЯФ придумывают и создают ее. Сегодня нет ни одной лаборатории ИЯФ, которая не использовала бы у себя разработки радиофизических лабораторий – от отдела вычислительных систем до ускорительных и детекторных экспериментов.

Среди основных задач, которые решают специалисты кафедры — разработка радиоэлектронной и радиотехнической аппаратуры во всем диапазоне частот – от низкочастотных аналоговых сигналов до мощных СВЧ-генераторов, моделирование электродинамических и электронных устройств, вычислительная радиофизика, создание программного обеспечения для систем сбора данных и систем управления. Практически каждый студент кафедры пройдет через часть этой работы.

Кафедра радиофизики имеет широчайшие связи с научными институтами во всем мире и в России. Среди выпускников кафедры лауреаты государственных премий, премий СО РАН, международных наград.
Студентов кафедры ждут спецкурсы, посвященные электродинамике СВЧ, электронным и квантовым приборам СВЧ, традиционные курсы теории сигналов, колебаний, импульсной техники, линейных электронных схем и микроконтроллеров.

Через всю программу обучения тянется радиосвязь и радиовещание: теория распространения радиоволн, переходящая в физику верхних слоев атмосферы и околоземного пространства, разработка устройств космического назначения.

Программа обучения традиционно рассчитана на бакалавриат и магистратуру с продолжением обучения в аспирантуре. Хорошо сбалансированная программа курсов, сочетание экспериментальных и теоретических работ, повсеместное использование компьютерной техники и вычислительных методов позволяет за короткий срок получать из студентов-радиофизиков специалистов высокой квалификации, могущих работать в любой области этой науки.

Кафедра физики неравновесных процессов или, как ее называли раньше, кафедра теплофизики базируется в Институте теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН. Основная специализация и научная подготовка студентов, магистрантов и аспирантов кафедры осуществляется в соответствии с основными направлениями научной деятельности Института теплофизики СО РАН:
• гидродинамика и тепломассоперенос в системах с фазовыми превращениями (кипение, конденсация, абсорбция), в том числе при криогенных температурах;
• гидродинамика и тепломассоперенос в однофазных системах (турбулентный пограничный слой, радиационный и комбинированный теплообмен, свободно-конвективный теплообмен, газовые завесы);
• процессы переноса в дисперсных и многофазных системах (пористые среды, кипящий слой, закрученные дисперсные потоки, микродисперсные системы, газожидкостные и газокапельные потоки);
• нелинейные волновые явления, ударные волны в многофазных средах, течения в жидких пленках; гидродинамическая устойчивость и турбулентность (струи и следы, когерентные вихревые структуры, модели турбулентности, турбулентный пограничный слой, полимерные добавки);
• вихревые течения (закрученные потоки, вихревые структуры, эффект Ранка, вихри в сверхтекучем гелии);
• динамика разреженных газов (неравновесные процессы, кластеры и фуллерены, лазерная абляция, разряд);
• измерение теплофизических характеристик веществ в различных агрегатных состояниях; наноразмерные системы;
• теплофизические процессы в энергетике (моделирование аэродинамики камер сгорания, горение в пограничном слое, горение микроугля и водоугольной суспензии, кипящий слой);
• топливные элементы и водородная энергетика;
• низкотемпературная плазма (плазменный метод розжига и подсветки пылеугольных котлов, плазменная переработка отходов);
• лазерная, электронно и молекулярно-пучковая диагностика потоков, системы управления экспериментом.

Все эти направления являются востребованными в десятках направлений науки и техники от энергетики до авиационной и космической техники, от изучения фундаментальных явлений турбулентного тепломассопереноса до химических технологий. Все направления просто невозможно перечислить, но можно добавить, что ИТФ СО РАН является одним из ведущих научных центров по теории теплообмена и физической гидрогазодинамики

Обучение студентов начинается на 3-м курсе, одновременно с началом прохождения практики в лабораториях Института. Студенты изучают основы гидродинамики, оптические методы в теплофизическом эксперименте, современные проблемы теплофизики, конвективный тепломассообмен, неравновесную термодинамику, механику многофазных сред, физику горения, термодинамические процессы. Поскольку современная физика невозможна без моделирования, то студенты получают серьезные знания в вопросах вычислительной физики. Завершается обучение защитой диплома бакалавра.

Курсы магистратуры подразумевают нелинейную динамику, молекулярную кинетику, введение в физику нелинейных процессов, физику кластеров и наночастиц, современные энергетические технологии. Студенты моделируют процессы переноса в турбулентных течениях, изучат гидродинамику и теплообмен в сверхтекучих и криогенных жидкостях

Аспиранты уже являются профессионалами высокого уровня, востребованными в любом из перечисленных направлений научной деятельности института, их ожидают и в промышленности, и в бизнесе. Кафедра по праву гордится многими из своих выпускников и полагает, что их число будет только возрастать в дальнейшем.

Кафедра физики плазмы базируется в Институте ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН. Изначально, в конце 50-х годов прошлого столетия главной задачей физики плазмы стоял управляемый термоядерный синтез (УТС). В свою очередь эту задачу можно было разбить на целый ряд подзадач, среди которых выделяются две – удержание плазмы в магнитных полях и быстрый нагрев до миллионов градусов, т.е. температуры, при которой начинается термоядерный синтез.
Первая задача в мире решается в основном на ловушках закрытого типа, однако ИЯФ пошел по другому пути и стал разрабатывать открытые магнитные ловушки. Со временем оказалось, что у этого пути много интересных применений, в том числе революционные изменения представлений о возможностях удержания плазмы. Открытые ловушки — прекрасный инструмент решения прикладных задач: от исследования самой плазмы до моделирования процессов численными и экспериментальными методами. В результате сегодня кафедра физики плазмы предоставляет своим студентам широчайшие возможности выбора специализации.
В ИЯФе четыре плазменные лаборатории, каждая из которых занята своим направлением деятельности.
Лаб. 9-0 создает мощные инжекторы сфокусированных пучков атомов быстрых изотопов водорода, что требуется и для диагностики плазмы, и для ее нагрева. Мощность инжекции достигает десятков МВт. Пучки нейтральных атомов до 100 кэВ получаются нейтрализацией интенсивных ионных пучков, создаваемых в свою очередь ионными источниками. Энергии в 100 кэВ недостаточно для глубокого проникновения атомов в плазму, поэтому ведутся работы по увеличению энергии до 1 МэВ обдиркой интенсивных пучков отрицательных ионов. Ток этих пучков может достигать 10 А, то есть 1020 частиц высокой энергии!
Инжекторы лаборатории пользуются спросом не только в ИЯФ, но и во всех плазменных центрах мира.
По заказу российского производителя микроэлектроники институтом разрабатываются многофункциональные имплантеры с энергией ионов от 0,2 кэВ до 1000 кэВ, в которых очень жесткие требования к параметрам пучков.
Лаб. 9-1 работает с газодинамической ловушкой (ГДЛ) открытого типа с простой осесимметричной конфигурацией, в которой сильное магнитное поле (магнитные пробки) создается на торцах соленоида. Плазма в ГДЛ содержит две ионные компоненты, одна из которых имеет изотропную функцию максвелловского распределения скоростей. Ее удержание аналогично удержанию газа в сосуде с малым отверстием. Вторая компонента образуется в результате захвата плазмой атомарных пучков и имеет термоядерную энергию в несколько десятков кэВ. В экспериментах, проведенных на ГДЛ, достигнуты рекордные параметры устойчивого удержания плазмы при том, что значения температуры электронной компоненты имели около 1 кэВ при средней энергии ионов около 10 кэВ.
В этой же лаборатории в 2021 году запущена новая установка КОТ — компактный осесимметричный тороид - с расчетом на удержание горячей плазмы высокого давления. Достигается это за счет инжекции мощных нейтральных пучков, что должно приводить к реверсу поля, проверке диамагнитного удержания и отработки методов МГД-стабилизации. В обширную программу эксперимента, куда - конечно же! - нужны студенты, входит генерация мишенной плазмы и инжекции нейтральных пучков.
Лаб.10 ставит своей задачей исследование замедления потока плазмы в гофрированном и винтовом магнитном поле, что необходимо для проектов реакторов на основе открытых ловушек. Плазма создается в многопробочной ловушке ГОЛ-NB, которая выглядит как цепочка коротких пробкотронов с небольшим пробочным соотношением. В этой же лаборатории создана ставшая уже знаменитой установка СМОЛА, на которой проверяется новая физическая идея динамического многопробочного удержания плазмы в винтовом магнитном поле.

Научно-техническая революция в конце 20-го века, ознаменовавшая начало эпохи тотальной коммуникации, связана, в первую очередь, с полупроводниками, так как они являются ее технологическим фундаментом. Более того, именно один из полупроводников, кремний (Si), является в двадцать первом веке материалом номер один, потому что элементная база всей современной электроники, начиная с суперкомпьютеров и кончая мобильными устройствами в руках каждой домохозяйки, представляет собой сверхбольшие интегральные схемы, основным элементом которых являются кремниевые полевые транзисторы нанометровых размеров. Произошедшая на наших глазах революция в производстве осветительных устройств, когда на смену лампам накаливания и газоразрядным светильникам пришли светодиодные источники освещения, также вызвана достижениями в физике и технологии полупроводников.