Лауреаты премии Правительства Москвы молодым учёным за 2023 год
Премия Правительства Москвы молодым учёным учреждена десять лет назад для поддержки молодых талантливых исследователей. Присуждается она ежегодно в двух областях: за достижение выдающихся результатов фундаментальных и прикладных научных исследований в области естественных, технических и гуманитарных наук (исследования) и за разработку и внедрение новых технологий, техники, приборов, оборудования, материалов и веществ, содействующих повышению эффективности деятельности в реальном секторе экономики и социальной сфере города Москвы (разработки). В каждой области — 11 номинаций.
Оценивают работы эксперты Российской академии наук и члены Совета по науке при Департаменте образования и науки города Москвы. В 2023 году конкурс оказался как никогда высоким: на соискание премии было представлено почти 1300 работ, из которых награды удостоились 50. Размер премии составил 2 млн рублей. Торжественная церемония награждения победителей конкурса состоялась в феврале 2024 года.
Представляем работы нескольких лауреатов за исследования и разработки, выполненные в номинациях: математика, механика и информатика; химия и науки о материалах; медицинские науки; передовые промышленные технологии; приборостроение.
Слоистые кристаллы для спинтроники
Необычные свойства двумерных материалов привлекают внимание исследователей во всём мире. Вслед за открытием графена в 2004 году стали появляться многочисленные сообщения о других 2D-материалах. Но лишь в 2016 году вышли первые научные публикации о магнитных 2D-материалах с необычными магнитными и транспортными свойствами. Причём, как и графен, их можно получать простым отслаиванием, что вызвало к ним особый интерес. Ведь другие методы получения однослойных плёнок, например эпитаксия, сложны и дороги.
Магнитные двумерные материалы считают весьма перспективными для спинтроники — быстро развивающегося направления, которое существенно может продвинуть развитие электроники и информационных технологий. В настоящее время электроника основана на использовании процесса переноса заряда электрона. Но у электрона есть и собственный магнитный момент — «спин». Использование этой второй фундаментальной характеристики электрона сулит создание принципиально новых устройств микро- и наноразмеров — высокочувствительных датчиков магнитных полей, элементов хранения информации с более высокой плотностью записи и большей скоростью переключений, новых методов вычислений и кодировки информации, использующих квантовые когерентные эффекты и т. д.
Магнитные 2D-материалы относят к так называемым ван-дер-ваальсовым материалам. Они представляют собой кристаллы, состоящие из атомарно-тонких слоёв, связанных слабыми (по сравнению, например, с валентной связью) силами Ван-дер-Ваальса, что и позволяет получать 2D-слои простым отщеплением, а также комбинировать их со слоями других материалов и формировать на их основе магнитные ван-дер-ваальсовы гетероструктуры, в которых возможны эффекты спинтроники.
На сегодняшний день свойства магнитных 2D-материалов ещё недостаточно изучены, и многие научные группы в мире активно их исследуют, открывая новые соединения с нужными характеристиками. Проблема в том, что постоянные магнитные свойства (ферромагнетизм, антиферромагнетизм) двумерные материалы теряют выше некоторой критической температуры, которая у них крайне низкая. Но, как уже известно, двумерные материалы значительно отличаются от своих объёмных аналогов в некоторых аспектах. Например, магнитные свойства объёмного материала никак не изменяются во внешнем электрическом поле. Для двумерного материала магнитный порядок может быть стимулирован с помощью электрического потенциала, что открывает новые возможности управления магнетизмом двумерных устройств. При этом поиск материалов, у которых магнитные свойства могут быть стабилизированы при достаточно высоких температурах, вплоть до комнатной, в том числе и с помощью внешних воздействий, очень важен.
Подобными исследованиями занимаются на химическом факультете МГУ им. М. В. Ломоносова. Группа под руководством кандидата химических наук Валерия Верченко изучила фундаментальные свойства (магнетизм, электронную структуру, транспортные свойства) соединений железа и марганца — теллуридов, селенидов, сульфидов, на основе которых разработала новые двумерные материалы для квантовых магнитоэлектронных устройств. В этих соединениях переходные металлы содержатся в ван-дер-ваальсовых слоях, подобно графену. Для примечательного соединения Fe3GeTe2 с помощью порошковой нейтронографии удалось впервые экспериментально обнаружить ферромагнитную структуру. Это соединение — великолепный материал для спинтроники, оно показывает рекордную спин-поляризацию тока электронов в простом спинэлектронном устройстве. (Степень спин-поляризации характеризует электрический ток, при котором одновременно с переносом электрического заряда переносится и спин.) И интересно тем, что ферромагнетизм для него может быть стабилизирован в двумерном материале при комнатной температуре.
Обнаружив ферромагнетизм для Fe3GeTe2, московские химики изучили родственные ему соединения и получили аналогичные по структуре соединения (такие как Fe3AsTe2) и более сложные ферромагнитные материалы, содержащие в ван-дер-ваальсовых слоях до пяти атомов железа (Fe5AsTe2). Такие богатые железом слоистые теллуриды, благодаря сохранению свойств при комнатной температуре, весьма близки к практическому применению для будущих ван-дер-ваальсовых гетероструктур и новых спинтронных архитектур.
Дальнейший поиск интересных соединений среди различных теллуридов увенчался успехом: исследователи обнаружили соединение NbFe1,5Te3, обладающее не только слоистым строением, но и легко управляемыми магнитными свойствами, включая индуцированный ферромагнетизм, что весьма интересно для практического применения.
Материаловеды МГУ изучили также поведение тройных халькогенидов — селенидов и сульфидов железа и марганца, образующих ван-дер-ваальсовы слои, то есть их объёмные кристаллы можно расщеплять и получать двумерные наноматериалы для спинтронных устройств. В результате исследований удалось открыть целое семейство соединений с многообещающими функциональными свойствами. Были получены несколько двумерных материалов со стабильной поверхностью (FeAl2Se4, MnAl2S4 и MnAl2Se4), для которых наблюдается уникальное квантовое взаимодействие электронных и магнитных свойств, индуцирующее ферромагнитное поведение, требуемое для спинэлектронных устройств. Исследования Валерия Верченко и его коллег поддержаны грантом Российского научного фонда № 21-73-10019.
За работу «Исследование соединений железа и марганца для создания двумерных магнитных материалов» Валерий Юрьевич Верченко удостоен премии Правительства Москвы молодым учёным за 2023 год в номинации «Химия и науки о материалах».
Новый путь на Венеру
Венера — один из основных объектов исследования Солнечной системы. Только в СССР было проведено восемнадцать успешных миссий на эту планету (16 миссий «Венеры» и 2 миссии «Веги»), десять из которых закончились посадкой на её поверхность. Первую мягкую посадку на планету произвела в 1970 году межпланетная станция «Венера-7». Единственным спускаемым аппаратом США, передавшим данные с поверхности Венеры, стал «Пионер-Венера-2» в 1978 году.
Большой интерес исследователей Солнечной системы к Венере связан сразу с несколькими факторами. Во-первых, это ближайшая к нам планета, наименьшее расстояние до неё «всего» 38 миллионов километров. Во-вторых, она — близнец Земли по размеру и составу. А, в-третьих, её эволюция по неизвестным пока нам причинам пошла по другому пути и условия на её поверхности кардинально отличаются от земных. В частности, там чрезвычайно высокая температура (порядка 450 градусов Цельсия) и давление (около 90 атмосфер). Решение загадки, почему две близкие и похожие планеты стали настолько разными, позволит планетологам ответить на важнейшие вопросы о том, не ждёт ли нашу Землю подобная судьба и распространены ли землеподобные планеты во Вселенной.
Интерес к исследованию Венеры значительно возрос после 2020 года, когда группа учёных обнаружила следы фосфина на высотах 50—60 км над её поверхностью. Это может указывать на присутствие жизни в атмосфере Венеры, хотя существуют и альтернативные объяснения. В настоящее время учёные разных стран разрабатывают шесть научных миссий на планету, две из которых, DAVINCI+ (NASA) и «Венера-Д» (Роскосмос), предполагают посадку спускаемого аппарата на поверхность Венеры. Эскизный проект миссии «Венера-Д» планируется разработать к 2026 году, а запуск осуществить после 2030 года.
Решающее значение для успеха миссии как с технической, так и с научной точки зрения имеет выбор места посадки. Основные критерии — безопасность посадки и научная значимость, но при этом выбор ограничен требуемыми параметрами траектории полёта. Какие области будут достижимы для приземления, определяется особенностями движения Венеры, прежде всего, периодом её вращения вокруг своей оси (243 земных суток), небольшой продолжительностью окна старта (примерно две недели), величиной максимальной перегрузки, которую способен выдержать аппарат при спуске в плотных слоях венерианской атмосферы, зависящей от угла входа спускаемого модуля. Если миссия состоит из орбитального аппарата, работающего одновременно с посадочным модулем, возникают дополнительные ограничения. Все эти факторы не позволяют осуществить посадку в любой, важной с научной точки зрения области на Венере. Реально для посадки в случае традиционных траекторий полёта доступна площадь менее 2% от всей поверхности планеты. Поэтому очень важно уметь построить такую траекторию космического аппарата, которая обеспечила бы посадку в нужном районе.
Специалисты Института космических исследований РАН (ИКИ) — младший научный сотрудник Владислав Зубко и его научный руководитель Натан Андреевич Эйсмонт вместе с коллегами из МГТУ им. Н. Э. Баумана и АО «НПО Лавочкина» разработали новый подход построения траекторий космических аппаратов, позволяющий существенно расширить достижимые для посадки области поверхности Венеры. Он основан на применении гравитационного манёвра около Венеры для перевода космического аппарата на гелиоцентрическую орбиту, резонансную с орбитой планеты. В общем случае это означает, что гравитационное поле Венеры повернёт станцию на такую околосолнечную орбиту, что их периоды обращения будут соотноситься как целые числа: за m венерианских лет станция совершит n оборотов вокруг Солнца. Исследователи пришли к выводу, что оптимальным будет равенство периодов. В этом случае космический аппарат через венерианский год вернётся обратно к планете, но окажется уже над другим участком её поверхности, который становится достижимым для посадки. А ещё через год станет доступной следующая область. Это позволяет осуществить посадку в ту область, которая ранее была недостижимой, правда, за счёт увеличения продолжительности перелёта и, что важно, небольшого изменения скорости аппарата. Метод можно применить и для выбора орбиты для орбитального модуля.