· центральные процессоры (CPU);
· графические процессоры общего назначения (GP GPU);
· программируемые логические интегральные схемы (ПЛИС, FPGA).
Центральные процессоры имеют большую тактовую частоту (2–4 гигагерца) и высокую точность (разрядность FPU 128–256 бит), исполняя до 8 потоков в одном устройстве. Графические имеют более низкую тактовую частоту (1–2 гигагерца) и низкую точность (32 бита или 64 бита за счёт существенного снижения скорости), но компенсируют это большим количеством потоков исполнения в одном устройстве и большей энергоэффективностью (2,5 гигафлоп/ватт) [1].
Во многих работах без аргументов выбирается, либо классическая и распространённая архитектура центральных процессоров, либо выбирается что-то новое (графические или ПЛИС) в связи с её доступностью автору, а также наличием у автора опыта работы на конкретном типе архитектуры. Это объяснимо, так как для точного решения вопроса, какая же из архитектур лучше подходит для конкретной задачи, нужно фактически решить её трижды, что ведёт к большим затратам времени.
Задачу выбора архитектуры можно поставить как задачу распознавания оптимальной архитектуры по тексту технического задания. Для её решения нужно сформулировать признаки и решающие правила.
Признаки для центральных процессоров:
· Задача распараллеливается на несколько независимых потоков, которым не требуется обмен данными в процессе работы. При этом латентность сети не имеет значения [2]. Пример — параллельный расчёт прохождения сейсмической волны через разные конфигурации системы трещин для последующего сравнения с экспериментальной сейсмограммой [3].
· Задача требует высокой машинной точности [4].
· Задача может быть распараллелена на очень малое (порядка 10) количество потоков.
Признаки для графических процессоров общего назначения:
· Задача требует передачи данных между всеми потоками при каждом шаге расчётов. Примерами могут служить задачи молекулярной динамики и задачи N тел.
· Точность FPU выше 32 бит не требуется.
Признаки для ПЛИС:
· Разработчик располагает достаточным временем для написания программы на Verilog или VHDL.
· Есть жёсткие массогабаритные ограничения на устройство, которое должно решать задачу, которые не могут быть удовлетворены обычными ЭВМ.
Решающее правило. Нужна декомпозиция исходной задачи на подзадачи. ПЛИС нужно использовать только в тех подзадачах, в которых есть вышеупомянутые признаки. В остальных подзадачах следует выбрать те, которые требуют центрального процессора, а остальные по умолчанию решать на графических.
литература
1. , М., , Цыбулин вычислительного кластера на основе видеокарт NVIDIA TESL // Информационные технологии: модели и методы: сб. науч. тр. - М.: МФТИ, 20с. ISBN 0345-8. С. 162–167.
2. Хохлов латентности и скорости обмена данными библиотеки mpi при использовании сети Myrinet. Cборник «Модели и методы обработки информации». М., 2009.
3. , , Панкратов исследование динамических процессов в твердой деформируемой среде с трещиной, инициируемых приповерхностным возмущением, сеточно-характеристическим методом // Математическое моделирование. 2010. Т. 23, 11. С. 109 –162.
4. , , Подлесных характеристики кластеров на базе процессоров Xeon и Istanbul для реальной вычислительной задачи // Труды 9-й международной конференции-семинара «Высокопроизводительные вычисления на кластерных системах». Владимир, 2009.
УДК 608.1
*****@***ru
Московский физико-технический институт
(государственный университет)
Моделирование глобальных многошаговых радиосетей ДКМВ диапазона
Строится географически распределенная опорная радиосеть на территории России, организуемая стационарными узлами, соединенными радиолиниями. Средствами каждого узла организуются сети радиодоступа (привязки) для обеспечения доступа абонентов (как подвижных, так и стационарных) в систему радиосвязи.
Система должна удовлетворять требованиям надежности, покрытия зоны обслуживания.
Для решения задачи были разработаны следующие алгоритмы: алгоритм расчета надежности отдельной радиолинии; алгоритм расчета надежности опорной радиосети; алгоритм учета ограничения количества радиолиний, организуемых отдельными узлами сети; алгоритм расчета интегральной зоны обслуживания опорной радиосети и индекса покрытия территории России; алгоритм расчета пропускной способности опорной сети.
В работе представлено описание физических свойств атмосферы, были выделены основные параметры, необходимые для получения простой зависимости затухания сигнала от расстояния между приемником и передатчиком. Зависимость была получена с помощью программы VOACAP. На ее основе построена суррогатная модель надежности отдельной радиолинии. Затем, на ее основе методом Монте-Карло была построена модель надежности всей радиосети.
Была решена задача оптимизации - выбор оптимальных мест расположения узлов радиосети и радиолиний между ними. Получившаяся сеть удовлетворяет выдвинутым требованиям, индекс покрытия территории России равен 3.
УДК 621.453/.457
,
*****@
Московский физико-технический институт
(государственный университет)
Одномерная модель слоя плазмы в двигателе с анодным слоем
При планировании пилотируемых межпланетных полетов к двигательным установкам предъявляются повышенные требования, в числе которых высокий удельный импульс, способность функционировать в течении долгого времени и обеспечить минимальное время перелета. Электрореактивный двигатель в настоящее время не имеет конкуренции по части величины удельного импульса, но тяга разработанных в настоящее время моделей недостаточна для их использования на больших космических аппаратах в качестве маршевых двигателей. Для создания необходимого уровня тяги требуется значительное повышение мощности. Для этого необходимо более глубокое понимание процессов, происходящих в двигателе. Одним из способов, способных расширить наши представления о сущности процессов, является численное моделирование. На начальном этапе было принято решение создать одномерную модель рабочей области двигателя с анодным слоем (ДАС) – анодного слоя. Данная модель отражает основные закономерности работы ДАС с той степенью достоверности, чтобы стало возможным проверить основные соотношения подобия, предсказывать толщину анодного слоя и распределение характеристик плазмы в нём.
На основе обзора литературы были выбраны основные предположения, позволившие выполнить постановку одномерной модели анодного слоя в ДАС. Была выписана смешанная система из 5 дифференциальных и 1 интегрального гидродинамических уравнений, моделирующая анодный слой, и предложен алгоритм её численного решения. На основе алгоритма была написана программа, работа которой проверялась тестовыми примерами.
С помощью данной модели был произведен расчёт режимов двигателя в диапазоне напряжений от 500 В до 7000 В, и магнитного поля от 0,001 Тл до 0,250 Тл.
Описанная в данной работе модель анодного слоя показала хорошую сходимость с аналитическими представлениями об анодном слое и плазме. Результаты сравнения с аналитической оценкой для толщины слоя, полученной Жариновым, показаны на рисунке 1 и 2. Проведенные сравнения с экспериментом (рисунок 3 и 4) продемонстрировали, что модель дает несколько заниженные значения для толщины анодного слоя. В целом сходимость с экспериментом можно считать удовлетворительной.
Данная модель может стать основой программного комплекса, служащего для достоверного предсказания характеристик ДАС при масштабировании и указания режимов его оптимальной работы.
Рис. 1. Зависимость толщины анодного слоя от
напряжения разряда при магнитном поле B=0,250 Тл.
Рис. 2. Зависимость толщины анодного слоя от
магнитного поля для напряжения разряда 2500 В.
Рис. 3. Сравнение результатов расчета с
экспериментальными данными ЦНИИ Маш.
Рис. 4. Сравнение результатов расчета с экспериментальными данными, полученными в Токийском университете.
УДК 004.942
*****@***ru
Московский физико-технический институт
(государственный университет)
Разработка системы управления транспортными потоками на основе принципа динамического равновесия
назначаемых маршрутов
В настоящее время одной из актуальных проблем больших городов является нехватка пропускной способности дорожных сетей. Ежедневное увеличение объемов транспортных потоков приводит к увеличению количества пробок на дорогах. Это приводит к увеличению времени, которое водители проводят в пробках, и следовательно, к увеличению времени, необходимого для перемещения из одной точки города в другую.
Одним из вариантов решения проблемы, т. е. уменьшения времени, проводимого водителями в дороге, является создание глобальной информационной системы, которая ведет наблюдение за текущей дорожной обстановкой в рамках всего города и рекомендует водителям оптимальные маршруты движения, т. е. маршруты, прохождение которых занимает наименьшее время с учетом пробок. Взаимодействие водителей с подобной системой осуществляется при помощи специализированных автомобильных навигаторов по беспроводным каналам связи.
При создании системы рекомендации маршрутов необходимо предварительно провести ее
математическое моделирование и изучить различные эффекты, возникающие в ней. Так как реальная система будет производить рекомендацию маршрута отдельным автомобилям, то целесообразно проводить моделирование на основе микромодели трафика.
В результате микромоделирования описанной системы был обнаружен хантинг-эффект, заключающийся в возбуждении в системе автоколебаний загруженности маршрутов. Данный эффект негативно сказывается на эффективности работы системы распределения маршрутов. Было установлено, что параметры хантинг-эффекта, такие как амплитуда и период колебаний, зависят от величины эффективной временной задержки в цепи управления. В ходе теоретического рассмотрения было установлено, что основной вклад в эффективную задержку вносит тот факт, что после окончания воздействия системы рекомендации маршрутов на дорожную ситуацию, последней требуется некоторое время, чтобы прийти в стационарное состояние.
В качестве одного из способов уменьшения эффективной задержки в рамках борьбы с хантинг-эффектом предлагается ввести виртуальную упреждающую очередь, дополнительную к обычной фактической очереди, которая позволит с большой точностью предсказывать состояние, в которое придет дорожная ситуация после окончания переходного периода.
В результате введения упреждающей очереди было зарегистрировано значительное уменьшение амплитуды и периода хантинг-эффекта, и дисперсии среднего времени прохождения маршрута водителями.
Секция проблем общей и прикладной физики |
УДК 538.945
*****@***com
Московский государственный институт электронной техники
Устойчивость периодических и вращательных структур в нелокальной модели джозефсоновского контакта
В 1962 году Брайн Джозефсон предсказал ряд явлений, опираясь на теоретический анализ явления сверхпроводимости. Среди них был эффект, впоследствии названный эффектом Джозефсона, – возможность протекания сверхпроводящего тока через два сверхпроводника, разделенных тонким слоем диэлектрика. Классическим уравнением для описания джозефсоновского контакта является уравнение синус-Гордона, описывающее динамику разности фаз волновых функций двух сверхпроводящих электродов:
Дальнейшее развитие джозефсоновской электродинамики в 90-е годы ХХ века привело к необходимости обобщения модели синус-Гордона. Нелокальное уравнение синус-Гордона
описывает джозефсоновский контакт в условиях более сложной геометрии задачи или в случае сверхпроводников, обладающих специальными свойствами. Последнее уравнение с ядром
,
где К - модифицированная функция Бесселя, при некоторых дополнительных предположениях описывает слоистую джозефсоновскую структуру или джозефсоновский контакт между двумя массивными электродами. В частности, в работе Савельева и соавторов [1] такая модель рассматривалась в контексте создания датчиков терагерцового излучения.
В представленной работе исследуется устойчивость цепочек магнитных вихрей, соответствующих двум типам решениям нелокального уравнения синус-Гордона с указанным ядром: периодических и вращательных.
Для численного исследования нелокального уравнения синус-Гордона был построен алгоритм, идея которого заключалась в том, что исходная задача записывалась в виде нелинейной задачи на собственные значения. Для ее численного решения была использована модификация метода обратных итераций, который используется для решения линейной задачи на собственные значения.
Показано, что в нелокальной модели Джозефсоновского контакта, соответствующей массивным сверхпроводящим электродам:
· периодические стационарные структуры являются неустойчивыми;
· вращательные стационарные структуры являются устойчивыми;
· спектр малых возбуждений указанных структур расщепляется для параметра нелокальности 
, не удовлетворяющего условиям 
,
.
литература
1. Savel’ev S., Yampolskii V. A., Rakhmanov A. L. and Nori L., // Rep. Prog. Phys. 2010. 73, 026501.
УДК 538.945
*****@***com
Московский физико-технический институт
(государственный университет)
Динамика разрушения сверхпроводящего состояния в СВЧ - резонаторах
Cверхпроводящие СВЧ-резонаторы используются для сообщения энергии частицам в линейных ускорителях. Тепловой пробой является ограничивающим фактором на величину поля в резонаторе. Пробой происходит, если в некоторой области на внутренней поверхности резонатора сверхпроводящее состояние разрушается, что заставляет макроскопически большую часть резонатора взрывным образом переходить в нормальное состояние. Для улучшения резонаторов очень важно понять причины возникновения пробоя и суть этого физического явления.
Для локализации причины теплового пробоя наряду с прямыми температурными измерениями используется метод второго звука (температурных волн) в сверхтекучем гелии. Момент прихода второго звука, излучаемого горячей областью, фиксируется детекторами [1], определяя расстояние до источника (рис. 1). Начало теплового пробоя определяется СВЧ электроникой.
Локализация пробоя возможна после решения обратной задачи распространения тепловой волны в сверхтекучем гелии. Простейшей моделью является точечный источник. Координаты источника ищутся с помощью решения переопредленной системы нелинейных уравнений методом минимизации нормы (x0 - xi)2 + (y0 - yi)2 + (z0 - zi)2 = C2ti2, где (x0,y0,z0) — координаты источника, (xi,yi, zi) и ti — соответственно координаты и измеренное время детектора номер i, C — скорость второго звука и n — количество детекторов. В качестве уточнения модели и увеличения ее точности возможна реализация дополнительного ограничения на координаты источника тепла (нахождение на поверхности резонатора) и введение конечного размера источника. Погрешность используемого метода была оценена с помощью метода Монте-Карло. Выходная ошибка всегда оказывалась меньше начальной предполагаемой погрешности размещения детекторов, которая является основной [2].
Все эксперименты были проведены в лаборатории Ферми, США с ниобиевыми резонаторами TESLA с резонансной частотой 1,3 ГГц. Экспериментально определенная ошибка оказалась гораздо больше предсказанной. На рис. 2 изображены резонатор, детекторы и сферы с радиусами, равными измеренным детекторами расстояниям, откуда видно, что на самом деле источник тепла является протяженным, а не точечным.
В принятой модели теплового пробоя СВЧ энергия почти мгновенно рассеивается в некоторой почти точечной области резонатора. Эта модель слишком грубая, и поэтому процесс теплового пробоя был смоделирован численно с помощью решения уравнения теплопроводности с переменными коэффициентами и уравнения диссипации СВЧ энергии.
Одномерное приближение, предполагающее слабое изменение температуры в стенке резонатора, определяло временную константу процесса, в несколько раз большую эскпериментальной. Двумерная задача требует гораздо больше процессорного времени из-за вынужденного введения глубины проникновения поля, на которой происходит нагрев сверхпроводника. При использовании искусственно увеличенного скин-слоя физический смысл задачи не искажается, и, судя по всему, при уменьшении отношения скин-слоя к толщине стенки временная константа теплового пробоя сходится с достаточной точностью к эскпериментальной уже при соотношении 10-2 вместо 10-4. Тем не менее, большое расчетное время требует создания новых вычислительных методов моделирования данной задачи.
Размер горячего пятна в одномерной и двумерной задачи составляет около 7 см. Добавление охлаждения гелием сокращает размер пятна и замедляет процесс теплового пробоя на несколько процентов. Также было реализовано добавление зависимости критической температуры сверхпроводящего перехода от приложенного магнитного поля. В этом случае временная константа процесса сходится к экспериментальной при толщине скин-слоя, равной 0,1 от толщины резонатора.
В данной работе была поставлена цель научиться локализовывать источник теплового пробоя на поверхности резонатора и смо-
делировать развитие теплового пробоя. Первая задача была успешно решена с помощью тепловых волн второго звука в сверхтекучем гелии, но было обнаружено некоторое расхождение результатов с предложенной моделью, что помогло экспериментально доказать макроскопический размер горячего пятна на поверхности резонатора. Вторая цель также была достигнута: была реализована трехмерная модель теплового пробоя с круговой симметрией, с охлаждением гелием и с учетом подавления сверхпроводящего состояния магнитным полем. Тем не менее, требуются улучшения: в экспериментальной части необходимо увеличения числа детекторов для удовлетворительной точности получаемого ответа и полная автоматизация процесса, в теоретической части необходим метод, решающий ту же задачу более быстро.
1. литература
2. Sherlock R., Edwards D. Oscillating Superleak Second Sound Transducers // Re. Sci. Inst. 1970, 41 . Р. 1603, .
3. Maximenko Y. Can We Locate the Quench Origin with Second Sound?” Fermi lab tech. report TD-10-0
3.
Рис. 1. Одноячеечный резонатор при
подготовке к вертикальному тесту.
Рис. 2. Несогласованность показаний детекторов второго звука.
УДК 539.194
*****@***com
Самарский государственный
аэрокосмический университет
Определение вероятности образования колебательно возбужденных молекул кислорода в реакции
O2(1Δ) + O2(1Δ) ® O2 (1S) + О2(3S)
Процессы, протекающие с участием колебательно возбужденных молекул кислорода, имеют очень большое значение в природе и технике. В частности, реакции с участием колебательно возбужденных молекул кислорода играют очень важную роль в кинетике активной среды химического кислородно-йодного лазера [0].
Вероятность образования колебательно-возбужденных молекул в реакции O2(1Δ) + O2(1Δ) ® O2(1S) + О2(3S) ранее определялась в работах [1] и [3]. В работе [1] было получено значение вероятности образования одного колебательного кванта p1 = 0,05. В работе [3] было показано, что вероятность образования колебательно возбужденных молекул на первом колебательном уровне p1 = 0,04, а вероятность возбуждения сразу на второй колебательный уровень p2 = 0,64. В целом это дает суммарное число колебательных квантов, образующихся в этой реакции n = 1,32. В обеих работах для генерации O2(1D) использовался электрический разряд, в котором генерируются свободные атомы кислорода. В результате рекомбинации атомов кислорода могут возникать колебательно возбужденные молекулы, причем преимущественно на высоких колебательных уровнях. Это может послужить причиной столь высокой вероятности, как та, что была получена в работе [3].
Однако колебательно возбужденный кислород O2(1D) наблюдался в газе на выходе химического генератора синглетного кислорода, где свободные атомы кислорода отсутствуют [4]. Данный эксперимент послужил основанием для предположения, что молекулы O2(1D, υ = 1) и O2(1D, υ = 2) могут играть существенную роль в кинетике диссоциации молекул йода в химическом кислородно-йодном лазере [0]. Необходимо было провести дополнительные эксперименты и расчеты относительно содержания молекул O2(1D, υ > 0) и O2(1S, υ > 0).
В СФ ФИАН была получена зависимость относительной концентрации O2(1Σ, υ = 1) от относительной концентрации паров воды [5]. Путем моделирования кинетики проведенного эксперимента будет сделана оценка максимального числа колебательных квантов, образующихся в реакции O2(1Δ) + O2(1Δ) ® O2(1S) + О2(3S).
Моделирование производилось различными методами, первым из которых было моделирование задачи в пакете COMSOL Multiphysics. Данным методом получено значение числа колебательных квантов n = 0,15. Также было принято решение рассмотреть несколько упрощенных моделей, в том числе одномерную модель, расчеты при помощи которой дали значение числа колебательных квантов n = 0,1. Также было рассмотрено стационарное приближение задачи, при помощи которого было получено значение n = 0,05. Это значение довольно сильно отличается от значений, полученных предыдущими методами, и, как показала последующая проверка, стационарное приближение для решения данной задачи действительно неприменимо.
Таким образом, в результате анализа экспериментов и их численного моделирования получено, что максимальная оценка вероятности возбуждения на первый и второй колебательные уровни p1 = 0,15 и р2 = 0,075 соответственно. Последнее значение почти в 10 раз меньше, чем в работе [3]. Тем не менее и эти значения р1 и р2 существенно больше по сравнению с оценкой, что предсказывает принцип Франка–Кондона из квантовой механики. Как уже было сказано ранее, ограничившись рассмотрением только одной реакции с образованием колебательно возбужденных молекул кислорода, мы получили лишь максимальную оценку вероятности. Можно показать, что при значении n = 0,15 концентрация молекул O2(1D, υ = 2) на выходе генератора синглетного кислорода будет настолько мала, что этим нельзя объяснить наблюдаемую скорость диссоциации молекул йода в активной среде кислородно-йодного лазера.
литература
1. , , Уфимцев колебательно-возбужденных молекул O2(a1Δg) на характеристики активной среды кислородно-йодного лазера // Квантовая электроника. 2004. Т. 34, № 12. С. 1116 – 1120.
2. Derwent R. G., Thrush B. A. Measurements on O21Δg and O21Σ+g in Discharge Flow Systems // Trans. Far. Soc. 1971. Т. 67. С. 2036 – 2043.
3. Schurath U. The energy pooling reaction 2O2(1Δg) → O2(3Σg–) + O2(1Σg+); Formation, relaxation, and quenching of vibrationally excited O2(1Σg+) // Journal of Photochemistry. 1975. N 4. С. 215– 226.
4. , , Уфимцев димоля кислорода на выходе химического генератора синглетного кислорода // Квантовая электроника. 1999. Т. 28, № 3. С. 212 – 216.
5. Загидуллин распределение колебательной энергии молекул O2(1Σ) в потоке газа O2(1Δ)-O2-H2O на выходе химического генератора синглетного кислорода // Квантовая электроника. 2010. Т. 40, № 9. С. 794 – 799.
УДК 51-73
*****@***ru
Московский государственный институт электронной техники
Нелинейные структуры в моделях с дальнодействием
Уравнение Клейна-Гордона 
является одним из классических уравнений современной теории нелинейных волн. В качестве основной модели оно возникает в задачах теории поля, физики твердого тела, теории сверхпроводимости и т. д. Уточнение физической модели в целом ряде случаев приводит к нелокальным (интегро-дифференциальным) уравнениям вида 
(нелокальное уравнение Клейна– Гордона), где вторая пространственная производная заменяется псевдодифференциальным оператором. Нелокальный член в последнем уравнении может возникать вследствие сложного закона дисперсии или из-за присутствия нелокальных взаимодействий.
В данной работе исследовано нелокальное уравнение Клейна–Гордона с полиномиальными нелинейностями третьей и пятой степени (нелокальные модели 
и 
) и ядром нелокальности 
, которое соответствует закону Каца– Бейкера взаимодействия частиц в решеточных моделях.
При исследовании задачи исходное уравнение заменялось системой дифференциальных уравнений. Анализ последней проводился численно, используя методы теории динамических систем. Основное внимание уделено решениям типа кинков (бегущих волн переброса между состояниями равновесия). Показано, что в нелокальной модели:
· традиционные кинки модели теряют подвижность (что является проявлением феномена дискретизации скоростей, обнаруженного для нелокального уравнения Клейна–Гордона);
· найденные кинки являются устойчивыми;
· существуют новые нелинейные структуры в виде уединенных волн, отсутствующие в локальной модели, спектр скоростей которых является непрерывным.
УДК 538.94
*****@***ru
Московский физико-технический институт
(государственный университет)
Фермион-фермионное взаимодействие в разбавленной
бозе-конденсированной газовой смеси
В работе исследовалось фермион-фермионное взаимодействие в разбавленной ферми-бозе газовой смеси при температурах ниже точки бозе-эйнштейновской конденсации, когда бозевская компонента находится в конденсированном состоянии. Показано, что фермион-фермионное взаимодействие имеет косвенный характер и возникает в результате обмена бозе-частицами в конденсированном или надконденсированном состояниях между двумя фермионами. Обмен конденсатной и надконденсатной частицами дает короткодействующий вклад в фермион-фермионное взаимодействие, который имеет вид потенциала Юкавы с радиусом взаимодействия, равным корреляционной длине кондесировнного бозе-газа. Обмен двумя надконденсатными частицами ведет к более слабому вкладу во взаимодействие, но имеющему дальнодействующий характер в силу степенного спадания с расстоянием между фермионами. В пределе больших расстояний характер взаимодействия определяется звуковым спектром надконденсатных частиц и аналогичен по существу взаимодействию Казимира между двумя атомами в квантовой электродинамике, возникающему в результате обмена фотонами. Изучено влияние бозонной подсистемы на спектр фермионов. Найдена собственно-энергетическая часть в наинизшем приближении по газовому параметру бозонной подсистемы в пределах как вырожденного, так и невырожденного ферми-газа для случая равных масс бозона и фермиона. Вычислена перенормировка массы при фермионных возбуждениях в зависимости от отношения скорости ферми-частиц к скорости звука в бозонной подсистеме. Эффективная масса фермиона всегда увеличивается, указывая на поляронный эффект. Поляронный эффект тем больше, чем меньше скорость фермиона по отношению к скорости звука. Поправка к массе, связанная с прямым фермион-фермионным взаимодействием, оказывается малой по сравнению с поправкой, обусловленной обменом бозонами, пока концентрация бозонов превосходит концентрацию фермионов. Вычислено затухание ферми-частиц вблизи ферми-поверхности. Затухание, вносимое фермион-бозонным взаимодействием, всегда меньше энергии квазичастиц. В невырожденном газе фермионов затухание определяется излучением фермионом бозонного возбуждения – фонона. Затухание носит пороговой характер и возникает придостижение фермионом скорости звука, что не противоречит критерию Ландау. В этом смысле процесс аналогичен черенковскому излучению фотонов при движении в среде сверхсветовых электронов.
УДК 53.06
*****@***com
Московский физико-технический институт
(государственный университет)
Магнитосопротивление вырожденного и невырожденного электронного 2D-газа в параллельном магнитном поле
Двумерная (2D) электронная система в кремниевой МОП-структуре (металл–оксид–полупроводник) уже несколько десятилетий привлекает исследователей. В этой системе были впервые созданы двумерный электронный газ, квантовые проволоки и квантовые точки, впервые обнаружен квантовый эффект Холла, а также переход металл–изолятор в 2D. На кремниевой МОП-технологии основана большая часть современной интегральной электроники, в том числе все современные микропроцессоры.
Двумерный электронный газ представляет собой систему, в которой электроны могут двигаться свободно в двух направлениях, а в третьем они помещены в энергетическую потенциальную яму, так что движение квантовано, и они занимают нижний энергетический уровень размерного квантования. Ограничивающий движение электронов потенциал может быть создан электрическим полем, например, с помощью затвора в полевом транзисторе или встроенным электрическим полем в области гетероперехода между различными полупроводниками [1].
В данной работе проведены измерения проводимости 2D - электронной системы в Si в диапазоне температур 0.5–20 K, магнитных полей 0–7 T и при концентрациях носителей 1–10·1011 cm-2 в параллельном и перпендикулярном магнитных полях. Проведён анализ магнитосопротивления в рамках теории Зала, Нарожного и Алейнера [2,3] и получены следующие результаты.
Проводимость в параллельном магнитном поле имеет квадратичную зависимость от поля в пределе малых магнитных полей, как и было предсказано в теории, коэффициент перед H2 зависит от температуры по степенному закону. Однако при этом показатель степени не соответствует теоретическим формулам. Кроме того, наблюдается излом в зависимости этого коэффициента от температуры, который невозможно объяснить в рамках имеющейся теории.
Была проверена воспроизводимость эффекта – излом был обнаружен на другом высокоподвижном образце, причём коэффициенты перед H2 совпали с точностью до нескольких процентов.
Были попытки связать эффект с потерей когерентности электронов, однако излом не наблюдался на образцах с низкой подвижностью, по видимому, из-за слишком высокой концентрации электронов (то есть слабого электрон-электронного взаимодействия). Стоит также отметить, что эксперименты на низкоподвижных образцах демонстрировали неплохую сходимость с теорией, потому что в низкоподвижных образцах при высоких концентрациях поправки к проводимости из-за электрон-электронного взаимодействия малы по сравнению с друдевской проводимостью.
Также было установлено, что время сбоя фазы электрона (время неупругого взаимодействия) не имеет отношения к наблюдённому эффекту, что согласуется со здравым смыслом – фаза электрона может играть существенную роль при слабой локализации либо сложных столкновениях двух электронов, доля которых мала.
литература
1. Электронные свойства двумерных систем. М. :Мир, 1985.
2. Zala G'abor and Narozhny B. N. and Aleiner I. L. Interaction corrections at intermediate temperatures: Magnetoresistance in a parallel field // Phys. Rev. 2001. B 65, 020201
3. Zala G'abor and Narozhny B. N. and Aleiner I. L. Interaction corrections at intermediate temperatures: Longitudinal conductivity and kinetic equation // Phys. Rev. 2001. B 64, 214204
УДК 539.1.01
,
*****@***ru
Московский физико-технический институт
(государственный университет)
Нелинейная динамика излучения GaAs-микрорезонатора
со встроенными квантовыми ямами
Большой прогресс в технологии выращивания полупроводников в конце XX века сделал возможным реализацию наноструктур, которые имеют необычные и очень интересные оптические свойства. В частности, много захватывающих оптических явлений имеют место в полупроводниковых микрорезонаторах, которые привлекли особое внимание ученых в результате достижения режима сильной связи между экситонами и фотонами.
В 1992 году C. Weisbuch с коллегами экспериментально продемонстрировали, что взаимодействие фотонов с экситонами в микрорезонаторе со встроенными квантовыми ямами может приводить к появлению новых собственных состояний – квазичастиц, называемых экситонными поляритонами. С этого времени поляритоны в микрорезонаторах активно изучаются вследствие разнообразия оптических явлений, которые можно наблюдать в такой системе: бозе-эйнштейновская конденсация и сверхтекучесть поляритонов, стимулированное поляритон-поляритонное рассеяние и др.
|
Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах:
1 2 3 4 5 6 |
Основные порталы (построено редакторами)