Успехи физических наук

П.И. Арсеев, М.Ю. Каган, В.В. Кведер, Н.Н. Колачевский, М.М. Коршунов, И.А. Некрасов, С.Г. Овчинников, О.В. Руденко, М.В. Садовский, А.И. Смирнов

Д.И. Новиков, А.Г. Дорошкевич, Т.И. Ларченкова, А.М. Малиновский, А.О. Михальченко, А.М. Осипова, К.О. Парфенов, С.В. Пилипенко

Несмотря на значительные успехи, достигнутые с начала нового столетия в области изучения реликтового излучения (РИ), остаются нерешёнными некоторые глобальные задачи, стоящие перед современной наблюдательной космологией. В их числе доказательство либо опровержение инфляционной теории эволюции Вселенной и её тепловая история в дорекомбинационный период. Остаётся также неизвестным спектр мощности начальных возмущений на мелких масштабах. Детальное изучение поляризации реликтового фона и его частотного спектра позволит пролить свет на эти актуальные вопросы, ответы на которые нельзя получить из каких-либо других наблюдений, кроме наблюдений особенностей реликтового излучения. Решение указанных задач также позволит попутно получить новую информацию о свойствах фоновых излучений (излучения пыли, инфракрасного фона, синхротронного излучения, свободно-свободных переходов, линий СО) и гравитационного линзирования. Эксперименты нового поколения нацелены на решение вышеперечисленных задач наблюдательной космологии.

А.П. Черняев

Обзор посвящён физическим основам ядерных технологий в медицине. Отмечены физические идеи, использованные при создании высокотехнологичных медицинских приборов и систем, а также ключевые моменты развития "ядерной медицины". Прослеживается история появления таких систем в России и мире, потребности здравоохранения, обсуждаются современные тенденции их развития. Описана система подготовки соответствующих кадров.

В.В. Устинов, И.А. Ясюлевич

Хиральная спинтроника — новейшая перспективная ветвь квантовой электроники, в основе которой лежат спиновые транспортные явления в материальных объектах, обладающих хиральной симметрией. Данный обзор посвящён становлению и развитию хиральной спинтроники гелимагнетиков — материалов, характеризующихся спиральной магнитной структурой. В работе рассматриваются общие принципы описания электрического и спинового транспорта в проводящих кристаллах при наличии неоднородностей внешнего магнитного поля и/или внутренних магнитных полей обменного происхождения. Демонстрируется, что взаимодействие спинов электронов проводимости с пространственно-неоднородным полем обменного происхождения в гелимагнетиках даёт естественное объяснение двум экспериментально наблюдаемым спин-транспортным эффектам: электрическому магнитохиральному эффекту и кинетическому магнитоэлектрическому эффекту. Представлена оригинальная методика, позволяющая определять магнитную хиральность проводящих гелимагнетиков на основе экспериментальных исследований вышеупомянутых гальваномагнитных эффектов. Описывается построение теории эффекта передачи спинового момента в проводящих хиральных гелимагнетиках, включающей исследование влияния данного эффекта на намагниченность и электросопротивление гелимагнетиков. Продемонстрировано, что эффект передачи спинового момента в гелимагнетиках приводит к вращению спирали намагниченности под действием электрического тока. Это может быть использовано для создания новых устройств спиновой электроники, в которых проводящие гелимагнетики будут выступать в качестве основных функциональных компонентов.

И.М. Арбеков, С.Н. Молотков

Квантовая криптография — квантовое распределение ключей (КРК) — одно из первых направлений квантовой теории информации, которое достигло зрелого научного уровня и было доведено до коммерческих систем в области защищённой квантовой связи. Проблема распределения ключей является центральной проблемой симметричной криптографии. Квантовая криптография решает эту проблему, причём решение базируется на фундаментальных законах Природы — законах квантовой механики. Квантовое распределение ключей, по сути, представляет собой согласование двух независимых случайных последовательностей на передающей и приёмной сторонах посредством посылки квантовых состояний. Кроме квантового канала необходим ещё аутентичный классический канал связи. Оба канала связи являются открытыми и доступными для вторжения нарушителя. Для обеспечения аутентичности классического канала при первом запуске системы необходим стартовый ключ, используемый для обеспечения теоретико-информационной аутентификации. По сути, системы квантовой криптографии являются системами расширения этого стартового ключа. В последующих сеансах возникает квантовый ключ, часть которого используется для аутентификации, а другая часть — для других криптографических целей, например шифрования. Принципиальный для квантовой криптографии вопрос — сколько сеансов квантового распределения ключей с момента первого запуска системы можно проводить до нового перезапуска системы, когда криптографические свойства квантовых ключей достигнут критического уровня, после которого их уже нельзя будет использовать для криптографических целей и потребуется новый перезапуск системы. Несмотря на существующий ряд обзоров по тематике квантовой криптографии, данный вопрос детально не обсуждался. Показано, что для реальных, достижимых на сегодняшний день параметров систем квантовой криптографии, возможна практически сколь угодно долгая работа системы КРК до следующего перезапуска. Это означает, что системы КРК могут обеспечить реализацию "одноразового блокнота" — множества одноразовых ключей, используя только один стартовый ключ. Представлен также краткий исторический экскурс, в котором излагаются отдельные факты, мало известные широкой аудитории. Обзор ориентирован на широкую аудиторию, доступен студентам старших курсов и аспирантам, прослушавшим университетские лекционные курсы по квантовой информатике, и, как надеются авторы, его содержание позволит глубже понять "криптографическую начинку" современных систем квантового распределения ключей.

А.М. Быков

Огромное выделение энергии при вспышках сверхновых звёзд и наблюдения нетеплового радиоизлучения позволили В.Л. Гинзбургу и С.И. Сыроватскому более 60 лет назад обосновать гипотезу о ключевой роли сверхновых как источников основной компоненты галактических космических лучей. К настоящему моменту многоканальные наблюдения остатков сверхновых во всём диапазоне электромагнитных волн предоставили большой объём данных, подтвердивший факт ускорения протонов и электронов до энергий порядка 100 ТэВ. Остаются открытыми несколько вопросов, среди которых проблема происхождения и поиск источников наблюдаемых космических лучей высоких энергий в интервале от 100 ТэВ до 1000 ПэВ. Решение проблем эффективной конверсии кинетической энергии эжекты сверхновой, вращательной энергии пульсаров, а также анизотропных течений плазмы вокруг аккрецирующих чёрных дыр в популяцию релятивистских частиц требует кинетического моделирования нелинейных механизмов с широким динамическим диапазоном масштабов. Моделирование необходимо, чтобы определить максимальные энергии частиц, ускоряемых сверхальвеновскими течениями плазмы с вмороженными магнитными полями и бесстолкновительными ударными волнами. Задача сводится к выявлению физических механизмов сильного (сверхадиабатического) усиления магнитной турбулентности, необходимого для быстрого ускорения частиц механизмом Ферми. В обзоре представлены результаты кинетического моделирования и анализ нелинейных механизмов формирования сильной анизотропной магнитной турбулентности и спектров ускоренных частиц. Недавние наблюдения орбитальной обсерваторией IXPE (Imaging X-ray Polarimetry Explorer) поляризованного рентгеновского синхротронного излучения остатков сверхновых Тихо Браге, Кассиопея А, SN1006 и др. позволили с использованием нелинейных моделей заглянуть внутрь космических ускорителей частиц и понять механизмы модификации сильных ударных волн. Обсуждаются возможности ускорения ядер космических лучей мощными анизотропными истечениями плазмы в компактных релятивистских остатках коллапсировавших сверхновых звёзд. Молодые пульсары в двойных звёздных системах, а также аккрецирующие чёрные дыры — микроквазары могут ускорять ядра до энергий существенно выше ПэВ.

Л.М. Зелёный, Х.В. Малова, Е.Е. Григоренко, В.Ю. Попов, О.О. Царева, М.В. Леоненко

Рассматривается история исследования тонких токовых слоёв в космической плазме, с протонными толщинами, которые в рамках магнитогидродинамической (МГД) теории считались сингулярными структурами — бесконечно тонкими МГД-разрывами. Отмечается особая роль работ С.И. Сыроватского и его группы в развитии теории и экспериментальных исследований нестационарных тонких токовых слоёв применительно к солнечным вспышкам. Научные многоспутниковые миссии (Интербол, Cluster, MMS) позволили заглянуть внутрь "сингулярностей", оценить сложнейшие процессы накопления, трансформации и высвобождения энергии в них. Накопление данных наблюдений многоспутниковых космических миссий и развитие теоретических моделей тонких слоёв позволило изучить их сложную внутреннюю структуру с иерархическим вложением более тонких токовых слоёв внутрь более широких. Динамика плазмы даже в не очень тонком слое уже не может описываться в МГД-приближении и, как минимум, требует раздельного описания движения электронов и ионов. Особую сложность, в силу их большого ларморовского радиуса (который может превышать толщину слоя), представляет описание ионов. Здесь большую роль сыграла так называемая квазиадиабатическая теория описания движения заряженных частиц при наличии резких магнитных градиентов. Выявлена ключевая роль тонких вложенных структур как триггеров взрывного магнитного пересоединения и преобразования свободной энергии магнитных полей в энергию волн и потоков ускоренных частиц. Подробно освещена актуальная тема наблюдения и интерпретации свойств сверхтонких токовых слоёв с электронными масштабами, которые могут быть как частью многоуровневых вложенных структур, так и самостоятельными нестационарными множественными образованиями, с которыми в горячей бесстолкновительной магнитосферной плазме связаны процессы диссипации магнитной энергии. Быстрая эволюция и распады этих слоёв ведут к ускорению электронов и формированию новых слоёв, также распадающихся и рождающих новые тонкие токовые структуры, т.е. пересоединение на малых электронных масштабах по-прежнему идёт, но происходит в нетривиальном каскадном режиме. Несколько десятилетий уже прошло со времени создания С.И. Сыроватским МГД-модели динамического токового слоя. Поучителен опыт совершенствования как экспериментальной техники, так и теоретического аппарата, которые позволили заглянуть внутрь этих удивительных структур.