Том 25, № 2 (2025)
Радиофизика, электроника, акустика
Ансамбли четырех дискретных фазовых осцилляторов
Аннотация
Исследованы ансамбли из четырех дискретных фазовых осцилляторов. Рассмотрение проведено с использованием трехмерных отображений для моделирования относительных фаз осцилляторов. Изучены и сопоставлены случаи связи осцилляторов в цепочку, кольцо и звезду. Анализ проведен с помощью метода карт ляпуновских показателей, выявляющего периодические режимы, квазипериодические режимы с разным числом несоизмеримых частот и хаоса. Для случаев разной топологии связи обсуждение проведено с учетом возможных резонансов. Наблюдаемые режимы иллюстрируются с помощью фазовых портретов, включая случаи различных квазипериодических резонансов с разным числом несоизмеримых частот.
Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия: Физика. 2025;25(2):134-146
134-146
Восстановление параметров компартментной модели динамических систем на примере эпидемиологической модели SIR
Аннотация
Представлен улучшенный алгоритм оценки значений управляющих параметров модельных динамических систем. Описан принцип работы алгоритма и продемонстрирована его работа на примере модели распространения эпидемий SIR в виде системы из трех обыкновенных дифференциальных уравнений. Метод демонстрирует хорошие результаты по восстановлению параметров данной модели как в случае установившихся решений, отличных от состояния равновесия, так и в случае переходных процессов. Рассмотрено влияние шума в исходных данных на качество определения значений модельных параметров.
Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия: Физика. 2025;25(2):147-156
147-156
Оптика и спектроскопия. Лазерная физика
Применение золотых нанокластеров Au10 для блокировки образования ДНК из неканонических форм
Аннотация
Объектами исследования являются золотые нанокластеры и основания нуклеиновых кислот. Цель работы – изучить взаимодействие золотых пластинок в виде нейтральных плоских 2D кластеров (n = 10) с каноническими и редкими таутомерными формами оснований нуклеиновых кислот, а также c комплементарными парами аденин-тимин (Ade-Thy) и гуанин-цитозин (Gua-Cyt). Расчёт структуры и колебательных спектров выполнен методом DFT с использованием программы Gaussian-09. Корректность полученных результатов была апробирована на ИК спектрах оснований нуклеиновых кислот, вычисленных методами B3LYP в базисах 6-31/G(d,p) и CEP/31G. Показано, что взаимодействие кластеров золота Au10 с каноническими формами пар оснований нуклеиновых кислот происходит за счет образования водородных связей и мало влияет на структуру и энергию водородных связей, связывающих пары Ade-Thy и Gua-Cyt. Иной характер наблюдается при взаимодействии нанокластеров золота Au10 с редкими формами оснований нуклеиновых кислот: в этом случае происходит образование между ними ковалентных связей, что позволяет заблокировать или ограничить неконтролируемый процесс образования ДНК из неканонических форм.
Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия: Физика. 2025;25(2):157-166
157-166
Физика конденсированного состояния вещества
Квантовые шайбы в сильном магнитном поле – носители электронных состояний с управляемыми квантовыми числами
Аннотация
Рассмотрены электронные состояния плоских тонких квантовых колец прямоугольного сечения («квантовых шайб»), толщина которых h, внутренний радиус Rin и внешний Rex связаны соотношениями h ≪ Rex − Rin ≪ Rin. Установлено, что такого типа узкозонные гетероструктуры в широкозонной матрице могут стать базовыми элементами для спинтронных систем. Их спектр во внешнем магнитном поле можно свести к единственному устойчивому уровню, все квантовые числа которого (спиновое в том числе) контролируются внешним полем. Это доказано как численными расчетами, так и приближенными аналитическими оценками, проясняющими механизм формирования такого состояния. Из-за сохранения незатухающего квантового тока и связанного с ним магнитного момента состояния эти более устойчивы, чем в идеальных квантовых точках с похожим спектром. Рассмотрены варианты изменения спинового состояния локализованного на шайбе электрона продольным магнитным полем.
Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия: Физика. 2025;25(2):167-177
167-177
Моделирование отклика графена на действие импульсов дальнего ИК-диапазона
Аннотация
С использованием квантового кинетического уравнения для электронной подсистемы графена на основе модели сильной связи ближайших соседей исследованы особенности процесса генерации этим материалом высокочастотных гармоник в условиях воздействия мощных коротких импульсов дальнего ИК-диапазона. В рассматриваемых условиях внешнее электрическое поле формирует в зоне проводимости сильно анизотропное распределение с заселением состояний с высокими значениями энергии далеко от точек Дирака. Возникающий при этом ток проводимости содержит ряд нечетных гармоник, наблюдаемых в спектре индуцированного излучения. Поляризационный ток межзонных переходов не играет существенной роли. Выполнено сравнение с результатами экспериментов по наблюдению высокочастотных гармоник в рассматриваемом диапазоне. Показано, что для обеспечения количественного согласия результатов моделирования с экспериментом необходим корректный учет процесса релаксации неравновесной заселенности. Полученная оценка соответствующего времени релаксации, выступающего в качестве одного из параметров модели, согласуется с имеющимися данными. Такие параметры модели как температура материала и время декогерентности слабо влияют на наблюдаемые характеристики процесса.
Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия: Физика. 2025;25(2):178-188
178-188
Биофизика и медицинская физика
Детектирование глюкозы с помощью ГКР-подложек и машинного обучения
Аннотация
Оптические методы определения концентрации глюкозы в растворах являются предметом повышенного интереса благодаря их потенциальной экономичности, портативности и низкой инвазивности. Непосредственное обнаружение глюкозы с использованием гигантского комбинационного рассеяния (ГКР) осложнено слабой адсорбцией глюкозы на металлических поверхностях и малым сечением её рассеяния. В настоящей работе реализована стратегия ферментативного определения концентрации глюкозы с помощью ГКР-подложек и машинного обучения, способная обеспечить высокую чувствительность. Были разработаны сенсоры на основе нетканого материала из поликапролактона и фильтровальной бумаги с восстановленными агрегатами серебряных наночастиц на поверхности. Для нетканого материала поликапролактона дополнительно проводилась процедура минерализации. Было определено оптимальное количество циклов (три) выращивания микрочастиц ватерита на поверхности. Увеличение количества циклов последовательной модификации поверхности поликапролактона микрочастицами ватерита позволяет получить более однородное заращивание, что наблюдалось на изображениях, даваемого сканирующим электронным микроскопом. Был произведен подбор оптимальных концентраций нитрaта серебра и гидрата аммиака, используемых для модификации поверхности подложек серебряными наночастицами: 5 моль/л для поликапролактона, 2 моль/л для фильтровальной бумаги. Для всех типов сенсоров обучались модели классификации на основе случайного леса. Наиболее точной моделью при определении глюкозы в концентрации 1 ммоль/л оказался образец поликапролактона с тремя последовательными модификациями ватеритом и с серебряными наночастицами, восстановленными из растворов нитрaта серебра и гидрата аммиака в концентрации 5 моль/л.
Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия: Физика. 2025;25(2):189-200
189-200
Различия в кинетике оптического просветления здоровых тканей головы и при сахарном диабете
Аннотация
Оптическая дифференциация патологий является перспективным инструментом биомедицинской диагностики благодаря, прежде всего, своей неинвазивности и простоте реализации. Значения оптических параметров и кинетика их изменений отличаются у здоровых и патологических тканей за счет изменений в их структуре. При сахарном диабете такие изменения особенно заметны. При этом требуются детальные исследования и разработка количественных критериев для дифференциации патологических (гликированных) тканей. В статье представлено ex vivo экспериментальное исследование оптических и геометрических параметров образцов тканей головы крыс при действии иммерсионной жидкости в виде водного 70% раствора глицерина. Оптические и объемно-массовые характеристики измеряли для образцов тканей головы крыс (кожи скальпа, кости черепа, твердой мозговой оболочки, серого и белого вещества мозга) в норме и при модельном сахарном диабете. Спектры коллимированного пропускания образцов тканей измерялись в диапазоне длин волн 450–900 нм. Анализ кинетики оптического пропускания за время до 60 мин показал, что все виды тканей головы у диабетических крыс демонстрируют затрудненную диффузию пробных молекул глицерина по сравнению со здоровыми крысами.
Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия: Физика. 2025;25(2):201-210
201-210
Твердотельная электроника, микро- и наноэлектроника
Узлы троичного процессора, разработанные на основе аналоговых моделей троичных логических элементов
Аннотация
Переход цифровой вычислительной техники от двоичной основы к троичной системе счисления, то есть использованию в рамках одного разряда трёх возможных состояний – ложь/неопределенность/истина – дает ряд преимуществ и в целом предоставляет реальную возможность повысить производительность микропроцессорной техники при прочих равных условиях. Наличие в системах САПР работоспособных аналоговых моделей базовых и вспомогательных троичных логических элементов комбинационной логики позволяет корректно моделировать сложные устройства цифровой троичной техники. Целью работы является разработка основных узлов троичного процессора комбинационного типа, входящих в состав арифметико-логического устройства. На основе аналоговых моделей базовых и вспомогательных троичных логических элементов сконструированы управляемый инвертор, одноразрядный троичный сумматор по модулю 3, схемы полупереноса и полного переноса, троичный полусумматор и полный троичный одноразрядный сумматор. Разработанные узлы наряду с представленными ранее базовыми троичными логическими элементами комбинационной логики позволяют в дальнейшем реализовать на их основе сердце троичного процессора – арифметико-логическое устройство.
Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия: Физика. 2025;25(2):211-221
211-221
Нанотехнологии, наноматериалы и метаматериалы
Характеризация импринтированного альбумина методами молекулярного моделирования и спектроскопии
Аннотация
Импринтированные белки являются многообещающими альтернативами естественным системам распознавания, таким как биологические рецепторы или антитела. Однако имеющиеся знания по теоретическому изучению импринтированных белков как систем распознавания ограничены. В этом исследовании бычий сывороточный альбумин (БСА) был импринтирован в присутствии 4- гидроксикумарина. Для оценки влияния pH на структурные свойства БСА во время импринтинга были проведены флуоресцентная 2D и 3D спектроскопия и динамическое рассеяние света (DLS) в сочетании с моделированием молекулярной динамики и метадинамики для мониторинга конформационного изменения белковой матрицы. В сильнокислых средах наблюдались значительные изменения флуоресцентных свойств BSA. Анализ результатов моделирования показал, что механизм изменения конформационного состояния БСА связан со смещениями молекулярных доменов относительно друг друга. Результаты молекулярного моделирования согласуются с экспериментальными результатами. Важным практическим результатом данного исследования является то, что теоретическое изучение таких молекулярных систем в сочетании с флуоресцентной характеристикой во время синтеза может быть применено для контроля импринтинга и создания новых импринтированных белков с широким спектром применения.
Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия: Физика. 2025;25(2):222-229
222-229
Эффективность влияния СВЧ-излучения и конвекционного нагрева на релаксацию внутренних напряжений в отвержденных полимерных композиционных материалах
Аннотация
Исследован процесс релаксации внутренних напряжений в прессованных угле- и стеклопластиках под действием изгибающих нагрузок после модификации путем конвекционного нагрева в термокамере и воздействия сверхвысокочастотного электромагнитного поля. Установлено, что нагрев полимерных композиционных материалов в термокамере и сверхвысокочастотном электромагнитном поле способствует повышению степени релаксации при одновременном уменьшении скорости процесса. При этом сверхвысокочастотное воздействие на угле- и стеклопластик способствует релаксации напряжений соответственно на (5.1–7.2)% и на (6.5–9.8)% в зависимости от величины внешней нагрузки. После нагрева в термокамере отмечена релаксация напряжений на (4.4–6.8)% и (5.2–9.0)%. Для контрольных образцов степень релаксации составляет (4.3–6.5)% и (4.9–8.55)%, процесс останавливается практически в 3 раза раньше, чем у опытных образцов. В среднем степень релаксации напряжений в образцах после воздействия на них сверхвысокочастотного электромагнитного поля выше на 18.5% и 12.8% для углепластика и стеклопластика, соответственно, по сравнению с нагревом в термокамере, что свидетельствует о большей эффективности данного метода термической обработки с целью стабилизации свойств полимерных композиционных материалов. При этом скорость релаксации напряжений в опытных образцах снижается относительно контрольных в 1.5–2 раза. В качестве основного механизма влияния сверхвысокочастотного воздействия на степень и скорость релаксации предложено уменьшение количества и размеров микротрещин в объеме матрицы и в области контакта «матрица-волокно», что определяется большей связанностью наполнителя и связующего за счет роста количества точек контакта во время его временного перехода в область размягчения.
Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия: Физика. 2025;25(2):230-241
230-241
Методический отдел
Об огибающей волнового пакета (импульса)
Аннотация
В методической работе рассмотрены вопросы о скоростях и временах распространения волновых пакетов (импульсов) через слой среды с дисперсией толщины d. Показано, что импульс на выходе появляется не ранее, чем через время d/c, при этом он ослабляется и расширяется с образованием хвоста. Численно исследовано туннелирование через слой плазмы, при этом парадоксы туннелирования типа Хартмана не наблюдаются.
Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия: Физика. 2025;25(2):242-254
242-254
Из истории физики
К истории физико-математического научно-исследовательского института Саратовского университета
Аннотация
Приводятся сведения об основании в 1937 г. в Саратовском государственном университете имени Н. Г. Чернышевского научно-исследовательского института математики, механики и физики, его структуре, тематике и первом директоре В. В. Вагнере. Прояснены, с использованием данных Государственного архива Саратовской области и архива Саратовского национального исследовательского государственного университета имени Н. Г. Чернышевского, организационные и жизненные детали, сопровождавшие процесс основания и работы института. Структура института отражала направления научных исследований (в области физики, математики и механики), которые сформировались в СГУ в 1920–1930-х гг. и были отмечены отечественным и зарубежным научными сообществами, в том числе на съездах Российской ассоциации физиков 1924–1928 гг. Рассмотрение ведется в контексте исторических условий 1930-х гг. (в частности, возникновения кадрового «голода» в СГУ). Руководитель университета Г. К. Хворостин назначил В. В. Вагнера и. о. директора Института, поскольку был свидетелем зашиты им докторской диссертации в Совете Научно-исследовательского института математики и механики Московского государственного университета (апрель 1935 г.). Одновременно Хворостин пригласил ряд столичных математиков и физиков занять профессорские должности в университете. В 1938 г. директором института стал профессор Г. П. Боев. Работа института была прервана осенью 1941 г. В 1945 г. сотрудники прежнего института продолжили свою работу в возрожденном Научно-исследовательском институте механики и физики Саратовского университета под руководством профессора П. В. Голубкова. Использование архивных материалов и газетных публикаций 1930-х гг. позволило представить не только достоверные факты из истории Саратовского университета, но и отразить колорит и особенности того времени.
Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия: Физика. 2025;25(2):255-261
255-261