Том 25, № 3 (2025)
Теоретическая и математическая физика
Предельно большие плотности тока полевой эмиссии в наноструктурах
Аннотация
Рассматриваются вопросы достижимости высоких плотностей тока полевой эмиссии лишь на 2–4 порядка меньших предельных значений 1015–1016 А/м2. Анализируются способы достижения таких токов, модели полевой эмиссии, а также эмиссионные структуры, обеспечивающие большие интегральные токи в ленточных электронных пучках. Показана достижимость больших значений плотностей тока порядка 1010–1012 А/м2 в вакуумных квантовых структурах с двумя и более потенциальными ямами при резонансном туннелировании. Получение высокоточных источников сопряжено с созданием гетероструктур типа диэлектрик-проводник-диэлектрик-проводник и использованием низких температур. Хорошим материалом для диэлектрических пленок является аморфный алмаз (GLD), а для проводящих пленок – проводящий стеклоуглерод (GLC). Наиболее подходящей является CVD технология создания тонкопленочных структур типа GLD-GLC-CLD.
Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия: Физика. 2025;25(3):266-276
266-276
Определение структуры связей в хаотических и стохастических системах при помощи нейронной сети
Аннотация
Работа посвящена исследованию алгоритма определения связанности ансамбля хаотических систем с шумом при помощи искусственных нейронных сетей (ИНС). Метод основан на определении причинности по Грэнджеру и использовании искусственных нейронных сетей прямого распространения, обучаемых с регуляризацией. В качестве исследуемой системы выбран ансамбль из двух связанных кубических отображений с диффузионной однонаправленной и взаимной связями. Рассматривается применимость алгоритма как для строго детерминированной системы, так и для системы с аддитивным гауссовым шумом небольшой интенсивности. Результаты показали возможность использования ИНС для выявления степени влияния подсистем друг на друга, а также для оценки величины коэффициентов связи. При этом, шум небольшой интенсивности практически не влияет на результаты измерений. Более того, шум может играть конструктивную роль, позволяя определять связанность в тех случаях, когда в «чистых» системах измерения становятся невозможными, например, в режиме синхронизации хаоса или в случае регулярных режимов.
Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия: Физика. 2025;25(3):277-287
277-287
Радиофизика, электроника, акустика
Метод рекуррентного анализа для диагностики режима обобщенной синхронизации в различных классах динамических систем
Аннотация
Посредством рекуррентного анализа установлена возможность количественного определения границы режима обобщенной синхронизации как во взаимно, так и однонаправленно связанных системах с различной топологией аттрактора. Для оценки полученных данных были рассчитаны спектр показателей Ляпунова и ошибка синхронизации. Полученные результаты проиллюстрированы на примере систем Лоренца и Ресслера, а также радиотехнических генераторов, связанных однонаправленно и/или взаимно.
Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия: Физика. 2025;25(3):288-294
288-294
Когерентный резонанс в модифицированной модели Вышкинд – Рабиновича
Аннотация
В работе представлены результаты теоретического исследования явления когерентного резонанса в модифицированной модели Вышкинд – Рабиновича. Данная модель описывает хаотическую динамику трех параметрически взаимодействующих мод, одна из которых (высокочастотная мода) испытывает усиление, а две другие (низкочастотные моды) линейно затухают. Для наблюдения когерентного резонанса один из параметров модифицированной модели Вышкинд – Рабиновича (нелинейный инкремент высокочастотной моды) модулируется шумом, имеющим равномерный спектр в ограниченной полосе частот. Результаты расчета демонстрируют максимум времени автокорреляции огибающей хаотической высокочастотной моды, который наблюдается при оптимальном уровне внешнего шумового воздействия. Предложенный способ получения когерентного резонанса может быть распространен на подавляемые шумом хаотические системы другого типа.
Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия: Физика. 2025;25(3):295-304
295-304
Оптика и спектроскопия. Лазерная физика
Влияние малых концентраций гиалуроновой кислоты на структуру изолята сывороточного протеина при конъюгировании: разработка и оптимизация моделей машинного обучения на основе адаптивного бустинга для анализа спектроскопических данных
Аннотация
В данном исследовании с помощью спектроскопии комбинационного рассеяния (КР) было изучено влияние малых концентраций гиалуроновой кислоты (ГК, 0.1–0.5%) на структуру изолята сывороточного протеина (ИСП) при конъюгировании. Анализ спектров КР выявил, что основное изменение происходит в области 1003 см–1, соответствующей колебаниям фенилаланина. Для классификации и регрессионного анализа спектральных данных использовались ансамблевые методы машинного обучения, включая адаптивный бустинг (AdaBoost). Оптимальные параметры модели (глубина дерева принятия решений max_depth=3, количество деревьев в ансамбле 325) обеспечили высокую точность классификации (98.3%) и коэффициент детерминации (R2 = 0.91) при объеме обучающей выборки 300 спектров на образец. Подбор параметров проводился с помощью решетчатого поиска (GridSearchCV). Было также изучено влияние объема обучающей выборки на эффективность модели адаптивного бустинга. Модель также позволила выявить ключевые волновые числа (763, 1003, 1240, 1400 см–1), наиболее значимые для прогнозирования изменений в структуре ИСП при добавлении ГК. Результаты демонстрируют перспективность комбинации спектроскопии КР и машинного обучения для анализа белково-полисахаридных взаимодействий.
Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия: Физика. 2025;25(3):305-315
305-315
Биофизика и медицинская физика
Восстановление микрогемодинамики на поверхности тела человека с помощью дробной производной колебаний температуры
Аннотация
Исследована возможность восстановления микрогемодинамики на поверхности тела человека посредством обработки сигнала колебаний температуры кожи с использованием производных целого и дробного порядков. Данные о микрогемодинамике регистрировались одновременно методами фотоплетизмографической визуализации и инфракрасной термографии в четырех зонах кисти. Для восстановления микрогемодинамики из температурных данных использовались ранее описанная модель тепловых волн и модель с применением математического аппарата производных различного порядка. Проведено сравнение амплитудно-частотных и фазо-частотных характеристик для этих моделей. Производная колебаний температуры дробного порядка рассчитывалась как дифферинтеграл Римана – Лиувилля. Для группы испытуемых рассчитаны корреляции результатов восстановления микрогемодинамики в состоянии покоя в течение 15 минут с использованием модели тепловых волн и производных температуры по времени целого и дробного порядков. Установлено, что использование производной дробного порядка 0.4 обеспечивает наилучшую корреляцию частотных характеристик с соответствующими характеристиками модели тепловых волн. Повышение корреляции сигналов во временной области при использовании производной дробного порядка по сравнению с производной целого порядка обусловлено более корректными амплитудно-частотными и фазо-частотными преобразованиями колебаний температуры, соответствующими процессам затухания и дисперсии тепловых волн в коже. Для более точного восстановления микрогемодинамики с помощью производной температуры кожи предпочтительно использовать производную дробного порядка 0.4 вместо производной целого порядка. Описанный способ может быть использован в качестве методики температурного исследования колебаний кровотока в микрососудах одновременно в нескольких анатомических зонах.
Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия: Физика. 2025;25(3):316-332
316-332
Исследование воздействия электрических импульсов на микроциркуляцию крови артериальных сосудов методом лазерной доплеровской флоуметрии
Аннотация
Методом лазерной доплеровской флоуметрии исследовано влияние воздействия низковольтных электрических импульсов на функционирование артериальных сосудов предплечья человека. Метод включает измерение показателя микроциркуляции крови по допплеровскому сдвигу частоты при зондировании микроциркуляторного русла лазерным излучением (регистрируется излучение, отраженное как от подвижных, так и и неподвижных компонентов ткани). Показано, что при воздействии электрических импульсов происходит увеличение миогенной компоненты спектра относительно фоновой пробы в среднем в 4 раза, что связано с изменением тонуса сосудистой стенки артериол. Выявлено также преобладание нейрогенных компонент спектра после прекращения воздействия электрических импульсов. Показано, что использование метода лазерной доплеровской флоуметрии по амплитудам спектральных гармоник ритмов колебаний сосудов позволяет количественно определять изменения в регуляции кровотока при воздействии импульсов тока.
Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия: Физика. 2025;25(3):333-342
333-342
Влияние апконверсионных наночастиц на рефрактометрические свойства опухолевой ткани в условиях фотодинамической терапии
Аннотация
Метод фотодинамической терапии относится к одному из перспективных направлений современной клинической онкологии, который позволяет малоинвазивно проводить терапию раковых заболеваний. Для его развития и повышения эффективности требуются точные данные об оптических свойствах биологических тканей и их изменениях после проведения фотодинамической терапии с использованием апконверсионных наночастиц (АКНЧ) различного типа. В данной работе представлены результаты экспериментального измерения показателей преломления на 12 длинах волн видимого и ближнего ИК диапазонов (480–1550 нм) для опухолевой ткани (модельный альвеолярный рак печени), измененной ткани после введения АКНЧ пяти различных типов (NaYF4 неотожженные; NaYF4, покрытые оболочкой SiO2, отожженные; NaYF4 отожженные; CaCO3 с раствором бычьего сывороточного альбумина (BSA); NaYF4 с раствором сывороточного человеческого альбумина и красителем (Cy3)) и после фотодинамического воздействия с использованием АКНЧ. Проведен анализ полученных дисперсионных зависимостей и получены коэффициенты для формулы Зельмейера, позволяющие восстановить значение показателя преломления в диапазоне 480–1550 нм. Проведен расчет величины средней дисперсии и числа Аббе для оценки степени рассеяния света образцами. Для опухолевой ткани без АКНЧ и фотодинамического воздействия число Аббе равно 53.67 ± 0.68, после введения АКНЧ – 53.29 ± 0.69, у образцов тканей от животных после проведения фотодинамической терапии с применением АКНЧ различного типа – 53.12 ± 0.69. Таким образом, введение АКНЧ приводит к снижению величины числа Аббе на 0.38, а применение фотодинамического воздействия при введенных АКНЧ снижает число Аббе на 0.55 по сравнению с величиной числа Аббе для интактной опухолевой ткани.
Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия: Физика. 2025;25(3):343-355
343-355
Нанотехнологии, наноматериалы и метаматериалы
Электропроводные свойства интерфейсов графен–нанотрубный гибрид/оксид алюминия
Аннотация
Углеродные наноструктуры/оксиды металлов в качестве интерфейсов становятся одними из ключевых компонентов наноэлектронных устройств, в том числе туннельных полевых транзисторов. Среди углеродных наноматериалов особое внимание уделяется графену, повышение структурной стабильности и управление электропроводностью которого представляет актуальную научную задачу. Одним из решений указанной проблемы, имеющим экспериментальную апробацию, является сочетание графена с углеродными нанотрубками в составе гибридной наноструктуры. В данной работе впервые экспериментально получены образцы интерфейса 2D/0D в виде гибридной пленки из восстановленного оксида графена (ВОГ) и одностенных углеродных нанотрубок (ОУНТ) с осажденными наночастицами оксида алюминия Al2O3. Синтезированы образцы с толщиной слоя наночастиц Al2O3 5 нм и 20 нм. Благодаря импульсному лазерному воздействию с плотностью энергии 0.24 Дж/см2 (мощность лазерной обработки 70 мВт) был достигнут эффект связывания наночастиц Al2O3 c поверхностью наноструктур ВОГ/ОУНТ, а также эффект формирования наноструктур ОУНТ, ориентированных под углом к кремниевой подложке. Для синтезированных образцов проведены измерения электропроводности при температурах –50, –10, +20, +60, +140, +200°C. Выявлено, что с ростом температуры электропроводность образца с толщиной слоя наночастиц Al2O3 5 нм увеличивается в 2.5 раза, а образца с толщиной 20 нм – в 4.2 раза. При этом, для образца с толщиной слоя наночастиц Al2O3 20 нм при всех температурах характерны более высокие значения электропроводности. На основе полученных результатов можно рекомендовать синтезированные образцы интерфейса ВОГ/ОУНТ/Al2O3 к применению в устройствах наноэлектроники.
Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия: Физика. 2025;25(3):356-368
356-368
Методический отдел
Трансформация предметной подготовки физика-педагога при изменении формата образования
Аннотация
Изменение формата образования в высших учебных заведениях страны, осуществленное после подписания Болонской конвенции в 2003 году, привело к существенным изменениям в практике подготовки выпускников вузов. Основной целью статьи является анализ трансформации предметной подготовки педагога при переходе от пятилетнего обучения по программам специалитета к двухступенчатой системе бакалавриат+магистратура на примере подготовки учителя физики. Приведены данные по затратам учебного времени на изучение физики, математики и методики преподавания при одно- и двухступенчатой системах, а также долевой вклад дисциплин специализации в общее количество академических часов. Отмечено снижение уровня компетентности бакалавра по сравнению с уровнем подготовленности специалиста в части предметной подготовки. Сформулированы предложения по совершенствованию содержания образовательных программ в связи с намеченным новым подходом к организации высшего образования. В качестве позитивного отмечен наметившийся тренд на создание качественно нового формата образования по направлению 44.03.01 «Педагогическое образование», аккумулирующего имеющийся положительный опыт подготовки специалистов и практико-ориентированный подход к обучению.
Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия: Физика. 2025;25(3):369-376
369-376
Динамика квантового перехода частицы в потенциальной яме
Аннотация
Квантовый переход между стационарными состояниями частицы в потенциальной яме содержит два акта. Сначала под действием возмущения происходит эволюционный выход из исходного состояния (моды) в суперпозиционные состояния с амплитудами вероятности пребывания в других модах. После прекращения возмущения возможна редукция под действием классического измерительного прибора к конечному стационарному состоянию. Редукция обычно считается мгновенной и происходит с вероятностью, определяемой проекционным постулатом. В статье рассмотрена более полная модель переходов, включающая динамическую редукцию.
Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия: Физика. 2025;25(3):377-385
377-385
Из истории физики
Историко-биографический роман-эпопея о жизни Павла Николаевича Яблочкова
Аннотация
Рецензируется роман саратовского писателя А. А. Бусса «Великая мечта». Это историко-художественная биография выдающегося русского инженера-электротехника и изобретателя Павла Николаевича Яблочкова, уроженца Саратовской губернии. В книге отражены различные этапы его жизни – учеба, служба, общение с ведущими физиками и электротехниками России, изобретательская и подвижническая деятельность в России и во Франции, оказавшая огромное стимулирующее влияние на развитие систем электрического освещения на переменном токае во всем мире. Сюжет книги погружен в контекст исторической эпохи второй половины XIX столетия и отражает перипетии жизни талантливого изобретателя, испытавшего как серьезные трудности, так и счастливые озарения в процессе научно-технического творчества. Роман можно рассматривать как важный вклад в дело сохранения и охранения исторической памяти о заслугах отечественных ученых и изобретателей. Он отмечен саратовской литературной премией им. К. А. Федина и признан лучшей книгой года.
Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия: Физика. 2025;25(3):386-389
386-389
Personalia
390-391