Мови

  • English
  • Українська

Пошук

Синдикація

RSS-матеріал

Дослідження / Річні звіти / Найважливіші досягнення Інституту фізики конденсованих систем НАН України у 2019 році

Найважливіші досягнення Інституту фізики конденсованих систем НАН України у 2019 році


Запропоновано метод, що дозволяє визначити наскільки віддаленою від термічної рівноваги є електронна система після того, як вона була збуджена до нерівноважного стану під час експерименту «нагнітання-вимір». Ідея полягає у порівнянні часових еволюцій температур ферміонів і бозонів, які в рівновазі мають співпадати. Ефективна температура ферміонів визначається з нерівноважних спектрів фотоелектронної емісії (одночастинкові збудження), а саме з розподілу Фермі-Дірака. Ефективна температура бозонів отримується зі співвідношення стокс-антистокс для нерівноважних перерізів комбінаційного розсіяння світла (двочастинкові збудження). Як приклад розглянуто модель Фалікова-Кімбала, що описує як металеву, так і фазу моттівського діелектрика. Вона має точний розв’язок у підході нерівноважної теорії динамічного середнього поля. Показано, що на відміну від випадків металевої та діелектричної фаз, у стані, близькому до критичного діелектрика, виникає інверсний раманівський ефект, а ефективна температура ферміонів залишається негативною навіть після завершення нагнітання (О.П. Матвєєв, А.М. Швайка спільно з Дж. Фріріксом (Джорджтаунський університет, США) і Т. Деверо (Стенфордський університет, США)).

 


 

Кластерні фази Голдейна у спінових ланцюжках – актуальний предмет досліджень у зв’язку з проблемами квантової обробки інформації та квантових обчислень, оскільки їх реалізації можуть призвести до створення топологічно захищених симетрією крайових станів. Досліджено змішаний спін-1 і спін-1/2 октаедричний ланцюжок Гайзенберга з регулярно змінними мономерними спін-1 вузлами і спінами-1/2, що розташовані на квадраті. Така система має надзвичайно складну фазову діаграму основного стану, яка включає, окрім повністю впорядкованої феромагнітної фази, однорідну і кластерну фази Голдейна, дві ферімагнітні фази, дві фази квантової спінової рідини та дві кристалічні фази зв’язаних магнонів. У випадку сильної конкуренції взаємодій стани з найнижчою енергією є плоскозонними. Як наслідок, низькотемпературну термодинаміку поблизу основних станів магнонних кристалів можна задовільно описати в підході локалізованих магнонів. Найцікавіший результат стосується кластерних фаз Голдейна, які появляються при збільшенні періоду магнітної комірки через спонтанне порушення трансляційної симетрії. Кластерні фази Голдейна складаються з набору скінченних спінових кластерів у триплетному стані, які можна ефективно описати як відкриті спін-1 ланцюжки Гайзенберга з непарним числом спінів, що відокремлені один від іншого немагнітним синглет-плакетним станом (Верхоляк Т.М.).

A schematic of the mixed spin-1 and spin-1/2 Heisenberg octahedral chain and the equivalent two-component lattice-gas model of hard-core monomers valid in a highly frustrated region J2/J13. Black (green) and shaded (violet) parallelograms denote one-magnon and two-magnon states of a square plaquette. Unoccupied white parallelogram denotes fully polarized (zero-magnon) state of a square plaquette.

 


 

Методом молекулярної динаміки проведено моделювання двокомпонентних розчинів, що містять функціоналізовані вуглецеві нанотрубки (ВНТ) з індексом хіральності (6,6). Розглянуто три випадки розчинників: вода-хлороформ, вода-формальдегід, вода-нітрометан, вибір яких вмотивований змінами полярності (неполярний хлороформ, помірно полярний формальдегід, сильнополярний нітрометан) і протичності, тобто здатності віддавати іон водню (формальдегід – полярний апротичний, нітрометан – полярний і протичний). Гідрофобність ВНТ модифікувалася додаванням трьох функціональних груп −COO− з одного чи обох кінців нанотрубки (по три групи з кожного). Незмішуваність води з хлороформом і нітрометаном веде до розшарування розчинників, а ВНТ в обох цих випадках виявляється повністю зануреною в органічний розчинник і лише функціоналізовані кінці контактують із водою. Таким чином нанотрубка виступає в ролі каналу, що перетинає органічну фазу і сполучає водні шари. У випадку розчину води і формальдегіду гідрофобна природа нанотрубки виступає фактором, визначальним для варіативної сольватації – гідрофобні стінки трубки переважно оточені молекулами формальдегіду, а заряджені кінці – молекулами води (Дручок М.Ю.).

 


 

Для моделі твердих сфер у рамках формалізму проектованого усереднення (mapped averaging) отримано альтернативні до відомих у літературі вирази для тиску, унарної та бінарної функцій розподілу, а також кореляційної функції порожнин, які необхідні при розрахунку середніх за ансамблем у комп’ютерному експерименті. Ці вирази містять у собі точні поправки до простіших наближень для кожної зі згаданих вище величин, що важливо для суттєвого покращення точності результатів у комп’ютерному експерименті (Трохимчук А.Д.).

 


 

До магнітних систем, які можна описати моделлю з випадковою анізотропією (RAM), належить широкий клас аморфних матеріалів. Так, за допомогою RAM описують властивості сплавів типу «рідкісна земля – перехідний метал». Проведено дослідження залежності критичних властивостей RAM від розподілу осі локальної анізотропії. Розглянуто найзагальніший випадок випадкової локальної анізотропії, що включає, зокрема, випадки ізотропного розподілу та розподілу вздовж осей гіперкуба. Попередні дослідження для такої системи передбачали іcнування феромагнітного впорядкування при вимірності простору D=3. Із використання двох різних варіантів методу теоретико-польової ренормалізаційної групи доведено помилковість таких передбачень. Обидва методи узгоджено виключають можливість неперервного фазового переходу в цій моделі (Шаповал Д.Ю., Дудка М.Л., чл.-кор. НАН України Головач Ю.В.).

Двовимірна RAM. Червоні диски зображують вузли гратки із спінами (чорні стрілки). Випадкові локальні напрямки осі анізотропії на кожному вузлі показані світло-синьою лінією.

 


 

Однією з актуальних проблем фізики квантового магнетизму є дослідження ефектів геометричної фрустрації. Особливий випадок пов’язаний із розглядом тривимірних моделей, в яких конкуренція (антиферомагнітних) взаємодій призводить до відсутності фазового переходу до магнітно-впорядкованого стану при скінченних температурах, а магнітний порядок відсутній навіть при нульовій температурі. Цікавим представником геометрично фрустрованих ґраток є сітка тетраедрів із спільними вершинами – тривимірна ґратка пірохлору. Природа основного стану квантової антиферомагнітної моделі Гайзенберга на гратці пірохлору досі невідома і зовсім мало результатів для термодинамічних величин. Для дослідження теплоємності та магнітної сприйнятливості використано метод ентропії – модифікований спосіб Паде аналізу високотемпературних розкладів із використанням правил сум для енергії і ентропії, який дозволяє провести інтерполяцію термодинамічних величин до нуля температури. Виявлено максимум теплоємності при температурі і показано, що теплоємність спадає пропорційно до , коли прямує до нуля. Встановлено, що магнітна сприйнятливість має скінченне значення при нульовій температурі, а для температур її поведінка добре узгоджується з результатами розрахунків методом Монте Карло ( Держко О.В., Гутак Т.І., Крохмальський Т.Є.)

 


 

Запропоновано новий перспективний підхід до створення тонких пористих мембран, стійких до біозабруднень і здатних гнучко налаштовуватися для специфічних потреб у задачах біосепарації, контролю масового потоку, створення сенсорів чи транспорту ліків. Цей підхід базується на поєднанні двох макромолекулярних підсистем – зшитої сітки полі-(2-вінілпіридин) та шарів 3D-прищепленого полі-етиленоксиду (ПЕО). Ці підсистеми формують міцний пористий матеріал, пористість якого можна регулювати в широкому діапазоні. Специфіка цього матеріалу у стійкості до забруднення в усьому діапазоні зміни розміру пор через щільний поверхневий килим із ПЕО-ланцюгів, який утворений через 3D-прищеплення, із властивостями самовідновлення як на поверхні, так і всередині полімерної сітки. Експериментально виявлено факт набухання мембран по мірі проникання в неї ПЕО, що, в свою чергу, спричиняє збільшення товщини мембрани та зменшення діаметра пор. Запропоновано теоретичну модель такої мембрани, що дозволяє на якісному рівні передбачати залежність згаданих характеристик від кількості ПЕО в мембрані. Проведено комп’ютерне моделювання методом дисипативної динаміки. Отримано добре узгодження результатів із даними експерименту (Пацаган Т.М., Ільницький Я.М.).
Kuroki H., Gruzd A., Tokarev I., Patsahan T., Ilnytskyi J., Hinrichs K., Minko S. Biofouling-Resistant Porous Membranes with a Precisely Adjustable Pore Diameter via 3D Polymer Grafting // ACS Appl. Mater. Inter. – 2019. – Vol. 1120. – P. 18268-18275..

Зображення модельної мембрани (вигляд зверху), отримані із комп’ютерного моделювання при різних значеннях ступеню набряку, 1/(1 − fms) : (a) 1.00 (“суха” мембрана), (b) 1.13, (c) 1.26, (d) 1.39, (e) 1.52 та (f) 1.64, де fms – концентрація доброго розчинника в мембрані.

 


 

Зіркові полімери – один із найпростіших різновидів із класу галужених полімерів, що містять f лінійних гілок, які розходяться зі спільного центру. В таких структурах спостерігаються конформаційні перетворення від полімерного (мале f) до колоїдного (велике f) режиму. Ці зміни впливають на розчинність, агрегацію та інші властивості полімера і викликають значний практичний інтерес. Досліджено основні характеристики розміру та форми зіркових макромолекул і їх індивідуальних гілок при конформаційних перетвореннях. Зокрема, обчислено як аналітично (в моделі неперервного ланцюжка), так і чисельно, відносний радіус гірації pg(f) та асферичність a(f) окремих гілок. Комп’ютерне моделювання проведено методом дисипативної динаміки з використанням методу Монте Карло. Теорія та комп’ютерні розрахунки якісно підтверджують основні риси зміни поведінки макромолекул із ростом кількості гілок. Кількісно описано ріст асферичності, видовженості та відносного розміру індивідуальних гілок зіркових полімерів при прямуванні до колоїдного режиму (із зростанням f) (Калюжний О.Ю., Гайдуківська Х.А., Блавацька В.Б., Ільницький Я.М.). O. Kalyuzhnyi, K. Haidukivska, V. Blavatska, Ja. Ilnytskyi, Macromol. Theory Simul. 28, 1900012 (2019)

 

 


 

Проаналізовано деякі проблеми використання наукометричних показників при оцінюванні результатів наукової діяльності, зокрема в Україні. Приведено низку прикладів, що ілюструють неоднозначності в їх застосуванні на практиці, зокрема розглянуто часткові випадки використання індекса Гірша для порівняння праці як окремих вчених, так і цілих установ. Продемонстровано, що такі порівняння навіть на індивідуальному рівні не є абсолютними, а рейтингування за цим показником на груповому рівні важко інтерпретувати однозначно. Так, серед факторів, що впливають на значення групового індекса Гірша, важливу роль відіграє розмір установи – тобто кількість вчених, що продукують наукові публікації (Мриглод О.І).

Залежність групового індексу Гірша від кількості авторів з установи відповідно до профілю у базі Scopus для 40 установ, підпорядкованих МОН України (дані станом на квітень 2019 р.)