Аннотация результатов, полученных в 2024 году
1. Разработан метод определения межплоскостного расстояния в алмазных пластинах с NV-центрами с ангстремным пространственным разрешением. Это позволяет в дополнение к известным в настоящее время методам 3D-томографии с нанометровым разрешением (десятки и сотни нанометров) проложить новый путь к более высокому пространственному разрешению. Данный метод основан на использовании спектров рассеяния и варьировании параметра длительности импульса. В качестве примера были рассмотрены два дельта слоя NV-центров в двух алмазных пластинах и используя предложенный метод было найдено межплоскостное расстояния всего в 10 ангстрем. Есть важная особенность, которая определяется областью когерентного рассеяния УКИ, сосредоточенной внутри пространственной области импульса. Варьируя параметр длительности, можно обнаружить изменение дифракционных пиков и, оценив характер их изменения, определить изменение периодичности структуры. Метод оказывается чувствительным к расстоянию между локальными неоднородностями электронной плотности. Как раз такие возникают при концентрации в какой-либо области NV-центров. Одним из практически важных случаев такой структуры упорядоченной концентрации являются алмазные пластины с NV-центрами в виде слоем, расположенные на близком расстоянии (всего в несколько атомов) друг от друга. Сам выбор алмазных пластин с NV-центрами как объекта исследования в данной работе обусловлен их возможным производством и перспективой использования в различных областях микроэлектроники и квантовых технологий (квантовая МРТ, магнитная микроскопия с ангстремным разрешением). [Makarov, D.N., Eseev, M.K., Gusarevich, E.S. et al. Ultrashort Pulses in the Structural Analysis of Diamond Layers with NV Centers. JETP Letters 120, 695–699 (2024). https://doi.org/10.1134/S0021364024603567]. 2. Развита теория, где рассматривается рассеяние УКИ на алмазах с различной ориентацией NV-центров. Показано, что с помощью УКИ можно определить ориентацию NV центров в кристаллической структуре. Также показано, что длительность импульса является важным параметром, особенно при использовании аттосекундных импульсов, а применение ранее известной теории рентгеновской дифракции может привести к большим ошибкам, которые более значительны, чем различия в спектрах рассеяния УКИ при разных ориентациях NV центров. Т.е. по спектрам рассеяния УКИ согласно разработанной нами методики можно определить ориентацию NV-центров относительно направлений кристаллографических осей (111, 100 и т.д.) в монокристаллических алмазных пластинах. Это крайне важно для использования таких NV-центров в квантовых технологиях и микроэлектронике. Например, для квантовой магнитометрии на основе монокристаллических алмазных пластин с NV-центрами как элементов квантового сенсора. Метод Оптически детектируемого магнитного резонанса позволяет при измерении магнитного поля одновременно измерять по положениям сателлитов все три компоненты магнитного поля, если задействовать четыре возможные ориентации NV-центров относительно кристаллографической оси монокристалла алмазной пластины. Т.к. ориентацией азотно-вакансионных центров можно управлять в процессе роста и постростового инжиниринга кристаллов алмаза, то мы получаем инструмент для контроля за ориентацией NV –центров для отбора пригодных для практического применения пластин в магнитометрии. Makarov, D.; Eseev, M.; Gusarevich, E.; Matveev, V.; Makarova, K.; Borisov, M. Scattering of Ultrashort X-ray Pulses from Oriented NV Centers in the Diamond Structure. Crystals 2024, 14, 193. https://doi.org/10.3390/cryst14020193]. 3. Определены границы применимости различных спектроскопических методов исследования (ИК спектроскопию, спектроскопию оптически детектируемого магнитного резонанса (ОДМР) и позитрон-аннигиляционная спектроскопия (ПАС)) при создании монокристаллических синтетических алмазных пластин, вырезанных из кристаллов, с NV-центрами. Готовились алмазные пластины Ib, содержание азота варьировалось от 9 до 106 ppm. Параметры пластин: длина грани не более 6 мм, толщина 0,5 мм, с ориентацией лицевой грани {111}. Кристаллографические оси выбирались при изготовлении пластин при помощи многофункциональной рентгеновской установки, которая предназначена для рентгеноструктурного анализа алмазных пластин методом обратной съемки. Для создания вакансий в кристаллической решетке алмаза одновременно облучались на линейном ускорителе электронов. После облучения алмазные пластины подверглись отжигу в вакууме. Были сформированы пластины с азотом и NV- центрами, выявлены основные закономерности формирования NV -центров. Применялись методы ИК- спектроскопии и ОДМР. Также были проведены исследования методом позитрон-анигиляционной спектроскопией. Методом ПАС рассчитана концентрация вакансий в зависимости от глубины проникновения позитронов в структуру алмазной пластины. Расчет содержания этих вакансий методами ПАС и ИК-спектроскопии сходится в пределах вариации [Meshkov, I.N., Eseev, M.K., Kuziv, I.V. et al. The Occurrence of Defects in Synthetic HPHT Diamonds during Electron Irradiation According to the PAS Data. Phys. Part. Nuclei Lett. 21, 526–530 (2024). https://doi.org/10.1134/S1547477124700523]. Также на основе полученных алмазных пластин нами был разработан прототип датчика тока на основе алмазов с NV-центрами. Работа такого датчика будет основана на эффекте оптически обнаруживаемого магнитного резонанса, а основным чувствительным элементом является алмазная пластина, легированная азотными вакансиями. 4. Для апробации развитой теории нами были проведены сравнения полученных результатов в экспериментальными данными. Таким образом, сравниваются экспериментально полученные спектры рассеяния ультракоротких лазерных импульсов на алмазной пластине с математической моделью рассеяния. Экспериментальные данные взяты из европейских экспериментов с рентгеновским лазером на свободных электронах и представляют собой результаты эксперимента, проведенного на европейском лазере на свободных электронах (XFEL). Спектры рассеяния были наложены на реальную структуру алмазной пленки для простоты понимания процесса визуализации. Полученные результаты хорошо коррелируют между собой, что позволяет считать разработанную теорию достоверной. Полученные данные спектров взаимодействия импульсов с веществом могут быть использованы для изучения структур различных материалов, а также процессов, происходящих в них. Также был представлен метод теоретического моделирования спектра взаимодействия ультракороткого лазерного импульса с различными многоатомными системами. В основе метода лежит поиск повторяющихся участков исследуемого объекта. Проведены расчеты на кристалле алмаза.

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
1. Рентгеноструктурный анализ вещества обычно используется для определения структуры с помощью непрерывного или ультракороткого рентгеновского излучения. Обычно теория рентгеновской дифракции на периодических и сложных структурах рассматривается как рассеяние плоских волн бесконечной длительности во времени. Однако при использовании УКИ длительность импульса становится важным фактором, который необходимо учитывать в структурном анализе. Было показано, что с помощью только ультракоротких импульсов можно определить межплоскостное расстояние в слоях алмаза, расстояние между которыми может составлять всего несколько ангстрем. Развитый метод применим не только для нахождения алмазных пластинах, но и для определения наноструктур внутри алмаза с высоким пространственным разрешением. Данный метод основан на варьировании параметра длительности импульса и резком изменении дифракционной картины когда длина импульса становится сравнимой с межплоскостным расстоянием. В настоящее время уже существуют методы 3D-томографии с нанометровым разрешением и предложенный нами метод может не только дополнять, но и открывать путь к ещё более высокому пространственному разрешению. Работа опубликована в журнале [D.N. Makarov, M.K. Eseev, E.S. Gusarevich et al. Ultrashort pulses in structural analysis of diamond layers with angstrom resolution, Optics Letters, 50(2) 694-697 (2025) https://doi.org/10.1364/OL.546635 ]. 2. Одной из главных особенностей применения ультракоротких импульсов в рентгеноструктурном анализе вещества является их использование для визуализации сверхбыстрых процессов, что привело к появлению отдельного направления в рентгеновской дифракции — time-resolved X-ray diffraction (TR-XRD). Этот метод (TR-XRD) ограничен в применении для целого ряда динамических процессов. Это ограничение в первую очередь возникает в методе «накачка-зондирование» (pump-probe). В методе pump-probe создаются последовательности из двух коротких импульсов с временной задержкой: импульс «накачки» (обычно оптический лазер или первый импульс рентгеновского лазера на свободных электронах) нарушает равновесие вещества, а импульс «зондирования» рентгеновских лучей используется для создания или получения «снимков» структуры вещества в определенный момент времени во время динамического отклика вещества. Затем структурный отклик системы можно отслеживать как функцию времени, многократно применяя эти два импульса к веществу с различными относительными задержками. Другая проблема возникает также из-за того, что метод (TR-XRD) для определения структуры вещества использует теоретический аппарат, который не учитывает параметр длительности импульса, а, как было показано во многих работах, параметр длительности импульса может вносить большой вклад в спектры рассеяния УКИ. Следует добавить, что в настоящее время существуют методы 3D-томографии с нанометровым разрешением (десятки и сотни нанометров), но все эти методы не могут воспроизвести динамику структуры с аттосекундным временным разрешением и ангстремным пространственным разрешением. Одним из практически важных случаев (например, создание микроскопа с кантеливером из алмаза с NV центрами) динамики такой структуры являются алмазные пластины с NV-центрами, расположенными на близком расстоянии (всего несколько атомов) друг от друга, которые могут колебаться или быстро менять свое положение во времени. Нами было показано, что возможно наблюдать динамику двух алмазных пластин с NV-центрами со сверхвысоким временным разрешением, расстояние между которыми может составлять всего несколько ангстрем. Эта методика основана на учете параметра длительности импульса и его варьирования при рассеянии ультракоротких рентгеновских импульсов. Полученные результаты имеют потенциал для изучения более сложных динамических структур. Работа опубликована в журнале [D.N. Makarov, M.K. Eseev, E.S. Gusarevich et al. Ultrashort pulses in dynamic processes of crystal plates with ultrahigh temporal and spatial resolution, Optics Letters, 50(9) 3078-3081 (2025) https://doi.org/10.1364/OL.551386]. 3. Использование УКИ в структурном анализе вещества — относительно новая область современной физики, которая стремительно развивается благодаря технической возможности генерации таких импульсов. В связи с использованием и разработкой различных источников ультракоротких импульсов необходим адекватный теоретический аппарат, учитывающий особенности взаимодействия таких импульсов со сложными многоатомными структурами. К таким особенностям относятся мощность импульса, его длительность и форма. Следует добавить, что в настоящее время начинает появляться все больше исследований, учитывающих специфику особенности взаимодействия ультракоротких импульсов с многоатомными системами. Не смотря на это очень мало исследований, рассматривающих влияние формы ультракоротких импульсов на спектры рассеяния, поскольку для многоцикловых импульсов предполагается, что различия в форме импульса не влияют на дифракционную картину, а только на амплитудные характеристики спектров рассеяния. Наше исследование показало, что форма ультракоротких импульсов может существенно влиять на дифракционную картину. Были сформулированы простые критерии для определения того, когда необходимо учитывать влияние формы импульса на дифракционную картину. Был аналитически выведен параметр, определяющий влияние формы импульса на спектры рассеяния. В качестве примера были выполнены расчеты спектров рассеяния ультракоротких импульсов на кристаллической решетке алмаза и алмаза с NV-центрами для трех различных форм многоцикловых импульсов: гауссовой, «мексиканской шляпы» и прямоугольной (в виде тета функции Хевисайда). Произведен сравнительный анализ этих спектров. Полученные расчеты убедительно показывают влияние формы ультракоротких импульсов на дифракционную картину для аттосекундных импульсов. Результаты опубликованы в журналах [Д. Н. Макаров, М. К. Есеев, Е. С. Гусаревич, Форма ультракоротких рентгеновских импульсов при их рассеянии на кристаллах, Письма в ЖЭТФ, 122, 815 (2025); D.N. Makarov, M.K. Eseev, E.S. Gusarevich, The influence of the shape of ultrashort X-ray pulses on diffraction in crystals, Physics Letters A, 568, 131213 (2026) https://doi.org/10.1016/j.physleta.2025.131213; A. Kharlamova, D. Makarov, The Symmetry Method as a Way to Visualize the Spectrum of the Ultrashort Pulse Interactions with Polyatomic System, Physics of Particles and Nuclei Letters, 22, 1211-1213 (2025) https://doi.org/10.1134/S1547477125701493].