Основные научные задачи и ожидаемые прорывные результаты до 2030 года

В области астрономии и астрофизики фундаментальные задачи будущего десятилетия связаны с вопросами происхождения и эволюции Вселенной, синтеза химических элементов, возникновения и развития жизни в космосе, природы и эволюции темной материи и темной энергии, появления первых объектов во Вселенной. Важной задачей является изучение планетных систем вокруг других звезд нашей Галактики.

В кооперации с международными институтами будут продолжены работы по регистрации гравитационно-волновых сигналов от сливающихся черных дыр и нейтронных звезд, в том числе в электромагнитном диапазоне длин волн. Принципиальную роль в решении проблем эволюции Вселенной сыграет рентгеновская космическая обсерватория "Спектр-РГ". Значительное продвижение в понимании природы объектов со сверхвысокими плотностями будут иметь проводимые совместно с мировым сообществом исследования в области нейтринной астрономии и физики космических лучей сверхвысоких энергий, при использовании астрономических методов в совокупности с методами ядерной физики. Развитие гамма-астрономии посредством создания отечественных орбитальных и наземных гамма-обсерваторий нового поколения необходимо для исследования фундаментальных процессов в космических ускорителях частиц и проблем космической безопасности. Исключительно важным также представляется развитие оптических, радио- и субмиллиметровых наблюдательных средств. Российские ученые будут принимать участие в исследовании планет Солнечной системы, в первую очередь Венеры и Марса. Значительные усилия будут направлены на развитие технических средств для изучения Луны. Будет развиваться направление по изучению Солнца, солнечно-земных связей (включая ионосферные проявления) и малых тел Солнечной системы, в частности в контексте проработки фундаментальных основ создания системы прогнозирования и парирования космических угроз (проявления космической погоды, астероидно-кометная опасность и др.). Российским ученым и инженерам предстоит решить задачи освоения ультрафиолетового, инфракрасного и миллиметрового диапазонов длин волн, которые позволят изучать физические свойства материи во Вселенной в широчайшем диапазоне физических условий. Проблемы астрономии и астрофизики тесно переплетаются с современными задачами ядерной физики, в том числе поиском границы нашего мира и определением возможного количества химических элементов. Наряду с космическими исследованиями поиски новых типов материи будут продолжены на Большом адронном коллайдере.

Будут продолжены фундаментальные исследования колебательных и волновых систем и процессов, используемых для создания новых систем генерации, преобразования и регистрации электромагнитных волн, а также использования новых систем для диагностики окружающей среды и природных явлений катастрофического характера. Развиваются такие традиционные области, как радиофизика, радиофотоника, акустика и акустоэлектроника. Особое внимание уделяется фундаментальным проблемам распространения радиоволн, методам и средствам генерации, усиления, преобразования и приема электромагнитных волн, разработке когерентных источников микроволнового излучения и источников излучения со сверхширокополосным спектром.

Отдельный междисциплинарный интерес вызывают фундаментальные исследования в области современной оптики, фотоники и лазерной физики, в том числе вопросы создания новых лазерных генераторов и исследования взаимодействия лазерного излучения с веществом. Во всем мире в перечень приоритетных направлений входят исследования в области физики экстремальных световых полей и экстремального состояния вещества, в первую очередь по проблемам создания рекордно мощных источников излучения с уникальными параметрами (в том числе рентгеновского и терагерцевого, аттосекундных импульсов, с использованием пучков заряженных частиц) и их приложений. Технологический прорыв ожидается в интегральной, волоконной и адаптивной оптике, где особой задачей является миниатюризация оптических элементов и совмещение их с электронными компонентами. Новые инструменты фотоники станут основой методов оптической диагностики веществ со сверхвысоким пространственным, временным и энергетическим разрешением. Достижения фотоники стимулируют развитие новых научных направлений, обеспечат революционное развитие современного материаловедения, электроники, энергетики, робототехники, информатики и медицины.

Актуальными будут мероприятия по созданию новых источников энергии, а также по разработке новых методов генерации интенсивных потоков ускоренных частиц и электромагнитного излучения. Российской Федерации принадлежит приоритет в области создания гиротронов - источников излучения, используемых для нагрева плазмы и генерации постоянных токов, обеспечивающих стабильность работы установок по получению управляемого термоядерного синтеза. Важным приоритетным направлением исследований будет разработка мощных источников термоядерных нейтронов. В центре внимания фундаментальных исследований в области физики плазмы будут находиться крупные национальные и крупные международные проекты по освоению энергии управляемого термоядерного синтеза (в том числе международный экспериментальный термоядерный реактор ИТЭР). Большое внимание будет уделяться изучению процессов ионно-атомных взаимодействий.

Новым прорывным направлением являются квантовые технологии, развитие которых позволяет вести поиск и исследование новых эффектов, интересных с точки зрения понимания квантовой механики, а также обеспечивает создание принципиально новых устройств, например, с элементами нанофотоники и наноплазмоники, имеющих потенциальное применение в области квантовой информатики, криптографии, сенсорики, телекоммуникаций.

Актуальными остаются исследования физических и технологических основ создания элементов квантовых симуляторов, квантовых компьютеров и квантовой связи, в том числе с использованием сверхпроводящих структур, лазерно-охлажденных атомов в вакуумных ловушках, атомов примесей в изотопически чистых полупроводниках, квантовых точек, фотонных чипов. Высокая прикладная значимость таких исследований определяется необходимостью разработки новых стандартов времени и частоты, совершенствования метрологических и навигационных систем, создания новых сенсорных инструментов и квантовой криптографии.

Указанные исследования непосредственно связаны с основными задачами физики конденсированных сред, физического материаловедения, физики поверхности и границ раздела, физическими и технологическими основами создания новых типов функциональных материалов и устройств с заданными характеристиками. Значительный междисциплинарный интерес представляет создание новых типов функциональных материалов и структур - полупроводников и наногетероструктур, высокотемпературных сверхпроводников, конструкционных материалов и композитов, структур и покрытий с заданными характеристиками (например, жаропрочные, с заданными трибологическими свойствами, "умные" материалы, эффективные фотовольтаические и магнитные материалы). Технологии создания новых материалов с заданными свойствами и эксплуатационными характеристиками входят в перечень важнейших наукоемких технологий, утвержденный Указом Президента Российской Федерации от 18 июня 2024 г. N 529 "Об утверждении приоритетных направлений научно-технологического развития и перечня важнейших наукоемких технологий". Важными задачами физического материаловедения являются создание технологий получения порошков, новых инструментальных, функциональных металлокерамических и керамических компактных материалов и покрытий с применением методов плазмохимического синтеза, искрового плазменного и жидкофазного спеканий, электроискрового легирования, установление физико-химических и технологических основ получения металлокерамических, интерметаллидных и биосовместимых металлических покрытий, применяемых в машиностроении, энергетике и медицине, установление оптимального состава, структуры и свойств высокоэнтропийных сплавов (ВЭС), предназначенных для формирования жаро- и износостойких покрытий и получения компактных металлокерамических материалов на основе карбидов переходных металлов, установление влияния электронной структуры полученных новых систем со структурой перовскита на их каталитическую активность.

В области физики конденсированного состояния будут продолжены поиск и исследования фундаментальных физических эффектов, в том числе таких, как нелинейные эффекты, поляритоны (гибридные состояния "свет - вещество"), электронные эффекты, связанные с сильным спин-орбитальным взаимодействием, спиновые взаимодействия в наноструктурах, спиновые волны и другие возбуждения, процессы их генерации, детектирования, распространения, Бозе-конденсация. Важными являются также комплексные исследования физико-механических свойств и закономерностей эволюции дефектной структуры материалов разных типов с целью повышения функциональных свойств и выявления физических закономерностей развития разрушения.

Будет развиваться медицинская физика в части глубоких фундаментальных исследований на стыке физики, химии и биологии и в части разработки новых методов и инструментов диагностики и лечения различных заболеваний.

В рамках сформулированных основных задач будут разработаны фундаментальные основы технологий, имеющих высокое прикладное значение, в том числе ядерных, лазерно-оптических (фотонных), квантовых, координатно-навигационных и метрологических, медицинских, технологий физического материаловедения.