Пресс-тур 24 декабря 2019 года: "Наука в Сибири" о важнейших результатах ИВМиМГ СО РАН за 2019 год

"Сибирские математики помогают отслеживать качество воздуха"

Система, которую разрабатывают ученые, определяет источники загрязнений и моделирует перенос вредных веществ в атмосфере.

Чтобы предсказать, как в атмосфере будут распределяться загрязняющие примеси, а значит, каким окажется качество воздуха, необходимо учитывать всё, что оказывает воздействие на его состав. Источниками загрязнения могут быть, например, выбросы с предприятий и транспорта, свалки, пожары. Кроме того, в атмосфере под влиянием солнечного света и влажности, как в огромном химическом реакторе, происходят химические трансформации, в результате которых образуются новые вещества-загрязнители.

 «Зачастую получить всю необходимую для построения прогнозов и оценок информацию невозможно. Мы не всегда точно знаем источники загрязнения, а также не всегда понятно, по какому пути пойдут химические трансформации. Поэтому приходится использовать данные мониторинга, которые имеют неполный характер: в них содержатся измерительные шумы, могут быть перерывы в наблюдениях», — говорит старший научный сотрудник Института вычислительной математики и математической геофизики СО РАН кандидат физико-математических наук Алексей Владимирович Пененко.

 Чтобы восполнить недостаток информации, в ИВМиМГ СО РАН используют специальные математические методы, называемые методами обратного моделирования. Они позволяют совместить данные, полученные с помощью мониторинга, с оценками источников загрязнений, и на этой основе получить картину уровня загрязнений.

Математики совместно с Институтом оптики атмосферы им. В. Е. Зуева СО РАН (Томск) и Сибирским региональным научно-исследовательским гидрометеорологическим институтом разработали систему IMDAF (Inverse Modeling and Data Assimilation Framework). Она определяет источники загрязнений по данным контактных и дистанционных измерений, а также моделирует перенос загрязнений от конкретных источников с учетом химических трансформаций. Система может работать в режиме реального времени.

В этом году ученые добавили в систему еще один алгоритм идентификации источников. Его конструкция допускает распараллеливание вычислений, что позволяет использовать его на современных ЭВМ.

"Математики изучили поведение экситонов в материалах для наноэлектроники"

Сибирским и немецким исследователям удалось построить модель и вычислить поведение экситонов — квазичастиц, с которыми связывают будущее электронных приборов, в частности квантовых компьютеров и смартфонов. Результаты опубликованы в высокорейтинговом журнале Physical Review Applied.

«Все привыкли, что современные девайсы работают на электронах, но последнее достижение наноэлектроники — манипулирование на уровне фотонов и экситонов, то есть электронов, связанных с дыркой. На их основе можно делать наноразмерные оптоэлектронные приборы, датчики, компьютеры. Эти структуры способны переносить фотоны, а с их помощью — информацию. В отличие от электронов, фотоны не выделяют тепло, а значит, мы сможем уменьшать размеры устройств без риска их перегрева», — рассказывает соавтор работы, главный научный сотрудник Института вычислительной математики и математической геофизики СО РАН доктор физико-математических наук Карл Карлович Сабельфельд.

Математики в сотрудничестве с физиками исследовали поведение экситонов в современном полупроводниковом материале — нитриде галлия. Ученых интересовало взаимодействие электронов с таким дефектом в нанокристаллической решетке, как дислокация.

«Десятилетиями существовало представление, что дислокация словно съедает экситоны, когда они подходят к ней. Но в экспериментах было много противоречий. Мы обнаружили, что в наноразмерном полупроводнике вокруг дислокации создаются электрические поля, достаточные для того, чтобы взаимодействовать с экситонами, и построили модель для описания этих взаимодействий», — говорит Карл Сабельфельд.

Ученым удалось описать взаимодействие экситонов с дислокацией в электрическом поле, вычислить их подвижность, время их жизни, а также подтвердить полученные данные в эксперименте. Оказалось, что общепринятый ранее метод исследования был основан на неверном физическом представлении.

Технологии с использованием свойств экситонов применяют, в частности, для разработки нового поколения мобильной связи 5G. По словам Карла Сабельфельда, ИВМиМГ СО РАН сотрудничает в этом направлении с Институтом физики полупроводников им. А. В. Ржанова СО РАН.

Работа проводилась в сотрудничестве с учеными из Института твердотельной электроники им. П. Друде в Берлине. Исследование поддержано грантом РНФ 19-11-00019.

"Сибирские ученые создали цифровые двойники керна"

Сотрудники Института вычислительной математики и математической геофизики СО РАН используют цифровые двойники керна, чтобы выяснить упругие свойства образцов горной породы. Применение такой технологии позволит ученым понять, как производить добычу нефти на том или ином месторождении без физических экспериментов.

«В нефтегазовой отрасли, после того как пробурена скважина, добывается керн и проводятся дорогостоящие, трудоемкие лабораторные исследования, чтобы определить параметры керна для нефтедобычи. Эти опыты проходят до полугода и оцениваются в десятки тысяч рублей. В ИВМиМГ СО РАН предложен математический подход, который позволяет сканировать образцы керна и с помощью виртуального эксперимента на суперкомпьютере проводить все необходимые вычисления за приемлемое время — примерно несколько часов. При этом используются параллельные программы, написанные в нашем институте», — рассказывает главный научный сотрудник лаборатории вычислительных задач геофизики ИВМиМГ СО РАН доктор физико-математических наук Галина Витальевна Решетова.

Создание цифровых двойников осуществляется следующим образом: привезенный геологами образец керна, добытый при нефтеразведке скважины, сначала проходит томографические исследования. После того как все его параметры измерены, геологи используют эту структуру при математическом моделировании лабораторных экспериментов с керном. Свойства образцов, которые можно получить с помощью цифровых двойников: пористость, проницаемость, упругие модули и так далее.

«Дело в том, что сейчас есть идея создания цифровых кернохранилищ. Обычные кернохранилища представляют собой здания, имеющие объемы огромных амбаров. А цифровые хранилища — это фактически маленький ноутбук, где имеется информация обо всех цифровых двойниках керна. Такие технологии позволяют одновременно многим пользователям работать с одними и теми же кернами, отпадает необходимость их транспортировать, а кроме того, они не разрушаются со временем», — отмечает исследовательница.

"Ученые ИВМиМГ СО РАН моделируют процессы Вселенной"

Сотрудники лаборатории суперкомпьютерного моделирования Института вычислительной математики и математической геофизики СО РАН занимаются моделированием процессов, происходящих во Вселенной: образования космической паутины, пустот, скоплений галактик, создания новых звезд.

«Мы моделируем Вселенную на всех возможных масштабах: от крупных структур — так называемой космической паутины, вплоть до процессов, происходящих при взрыве сверхновой», — рассказывает старший научный сотрудник лаборатории суперкомпьютерного моделирования ИВМиМГ СО РАН доктор физико-математических наук Игорь Михайлович Куликов.

Фактически ученые создают математические модели реальных астрофизических процессов. Работа подразумевает запись уравнений, создание численного метода, суперкомпьютерную реализацию и дальнейшие вычислительные эксперименты с помощью суперЭВМ, показывающие, каким образом развивается тот или иной процесс во Вселенной.

«Для того чтобы узнать, как образовалась Вселенная, нам нужно понять, каким образом появляется отдельная звезда, где еще есть планеты, подобные Земле, на которых потенциально возможно существование жизни. Для этого нужно детальное разрешение, для которого необходимо развитие вычислительной техники еще в течение 60—80 лет», — говорит ученый.

Ускорить последнее и стимулировать результаты российских исследований в области изучения Вселенной может Сибирский национальный центр высокопроизводительных вычислений, обработки и хранения данных — СНЦ ВВОД, создание которого планируется в рамках программы «Академгородок 2.0».

«Благодаря использованию новых мощностей мы сможем значительно, буквально на порядок, увеличить разрешение, то есть фактически перейти от моделирования разрешения Вселенной порядка одной средней галактики до разрешения карликовых галактик или молекулярных облаков. И таким образом посмотреть области, где потенциально могу зарождаться тяжелые элементы, сложные соединения — именно в таких местах может развиваться жизнь», — отмечает Игорь Куликов.

По словам ученых, сложные фундаментальные модели процессов, происходящих во Вселенной, пригодятся и при моделировании процессов ближнего космоса, связанных с Солнцем, планетами Солнечной системы, а также кометами и метеоритами. «Например, задача взаимодействия галактики и солнечного ветра хоть и формулируется как фундаментальная, но имеет идентичную постановку с точки зрения математической модели с задачами обтекания планет и разрушения болидов в атмосфере», — говорит исследователь.