Практическое отображение нелинейных систем и их свойств.
Фрактальные наноразмерные пленки
Многие процессы, характерные для наномира, происходят в условиях далеких от равновесного состояния, а объекты наномира чаще всего представляют собой открытые системы, обменивающиеся с внешней средой веществом, энергией и информацией. Вследствие этого для описания процессов и физических явлений, протекающих в наномире, приходится использовать аппарат нелинейной динамики, а для исследования объектов наномира использовать понятия и методы фрактальной физики. Одними из наиболее интересных объектов нанотехнологии являются фрактальные наноразмерные пленки(ФНРП), свойства которых отличаются от свойств обычных наноразмерных пленок, что открывает большие перспективы для их использования в технике и технологии.
Фрактальные структуры получают в открытых нелинейных динамических системах в условиях, далеких от равновесного состояния, например, с помощью метода магнетронного ионного распыления при определенных условиях. Полученные в неравновесных условиях после прекращения технологического процесса такие структуры стремятся к равновесному состоянию, вследствие чего в них продолжается процесс их эволюции. Для получения ФНРП был выбран метод ионного магнетронного распыления, как наиболее полно отвечающий перечисленным выше требованиям. Поскольку необходимым условием является получение пленок в условиях, далеких от равновесия, то на поверхности подложки, на которую напыляется ФНРП необходимо создать требуемые условия[4]. Действие ионного магнетронного распыления основано на распылении поверхности катода-мишени ускоренными ионами, образующимися в плазме тлеющего разряда в скрещенных электрическом и магнитном полях, и формировании потоков атомов материала мишени в направлении поверхности, на которую осаждается покрытие[5].
Нелинейность в различных средах.
Важные особенности поведения нелинейных систем проявляются в случае возбуждения в них колебаний. Это находит свое отражение в нелинейной оптике. Общей чертой нелинейных оптических явлений выступает зависимость характера их протекания от интенсивности света. Сильное световое поле меняет характер среды, что и обуславливает изменение характера оптических явлений. Развитие нелинейной оптики (лазеры) положило начало нелинейной физики в целом. Так для объяснения акустических эффектов в среде используется представления о нелинейных явлениях электронного происхождения. При низких температурах электроны проводимости играют в акустических эффектах определяющую роль, причем нелинейности, обусловленные взаимодействием звуковой волны с электронами, проявляют себя при малых интенсивностях звука. В данном случае нелинейные эффекты связаны с явлением захвата электронов проводимости периодическим полем звуковой волны и как следствие наблюдается целый ряд новых нелинейных эффектов, таких как звукоэлектрический эффект, возникающий в результате возникновения постоянного тока из-за увлечения электронов проводимости звуковой волной[6].
Нелинейность турбулентного движения.
Нелинейным оказывается и процесс турбулентного движения, например потоков жидкости или газа. Оно возникает из ламинарного движения при достижении скорости потока определенного значения. Такой вывод основан на смешении понятий сложности и хаотичности. При наблюдении турбулентного движения проявляется именно сложность движения. А степень хаотичности определяется соответствующим критерием. Традиционно им является критерий Рейнольдса:
Где v – скорость потока; d – характерный размер, например диаметр трубы; ν – вязкость жидкости. Если Re < 2200 поток ламинарен, при 2200<Re<2300 наступает переходный режим, когда, возникают и затухают отдельные небольшие завихрения, при Re>2300 поток становится турбулентным[8].
Солитон.
Один из красивейших проявлений нелинейного мира — солитон. Его классическим примером является бегущая одногорбая волна на воде. Наиболее яркий их представитель — цунами. Главной особенностью солитона является неизменность его профиля (т. е. вида, очертания) в процессе распространения. Как правило, это обусловлено притоком энергии извне. Поэтому такая волна имеет место в открытых системах. К тому же система должна быть нелинейной. Таким образом, солитон — нелинейная уединенная волна.
Впервые одиночную волну на воде описал в 1834 г. шотландский инженер и кораблестроитель Дж. С. Рассел. Такой объект именуется классическим солитоном. Он — одномерный. Солитоны бывают двухмерными. К ним относится, например, циклон. Чаще солитоны существуют благодаря притоку энергии, и поэтому их называют диссипативными.
Оказалось, что солитон имеет место в микромире. Одиночные электромагнитные волны элементарных частиц, распространяются не прямолинейно, а вращаются, образуя кольцеобразные микроструктуры. Такое сходство формы вращающихся одиночных электромагнитных волн с солитонами явилось основанием для названия теории, описывающей это ранее не известное свойство электромагнитного поля. Согласно этой теории внешние и внутренние поля положительных и отрицательных солитонов имеют противоположные направления. Эти два вида резонансов, отличающиеся только направлениями полей, являются простейшими частицами и античастицами вещества (например, электрон и его античастица – позитрон). Именно из этих двух видов солитонов с противоположными направлениями полей образуются все элементарные частицы[7].