Найважливіші досягнення Інституту фізики конденсованих систем НАН України у 2010 році

а) У галузі фундаментальних досліджень

Запропоновано новий підхід до аналізу колективної динаміки в системах типу скла, що дозволяє адекватно враховувати специфічні для скла повільні релаксаційні процеси. Підхід застосовано до аналізу результатів моделювання методом молекулярної динаміки бінарного металічного скла Mg₇₀Zn₃₀. При цьому вдалося відтворити усі особливості парціальних часових кореляційних функцій густина-густина та розрахувати дисперсії і коефіцієнти згасання для акустичних і оптичних збуджень, а також для ультра-низькочастотних колективних мод, які формують надлишок на густині коливних станів, відомий як бозонний пік. Вперше показано, що колективні процеси, які відповідають за формування бозонного піку, чітко проявляються на концентраційних динамічних структурних факторах. Ці результати однозначно свідчать про неакустичну природу бозонного піку в скловидних системах (Брик Т.М., чл.-кор. НАН України Мриглод І.М.).

Досліджено перехід у фазу з бозе-конденсатом (БК) у ґратковому бозе-газі в границі жорстких бозонів, де дозволені квантові перескоки частинок між збудженими локальними станами. В основу покладено модель Бозе-Габбарда, що використовується у теорії іонних провідників і оптичних граток із ультрахолодними атомами, а також при описі квантової делокалізації адсорбованих частинок. Показано, що рід переходу може змінюватися із другого на перший при зміні енергії збудження, хімічного потенціалу частинок і температури. Встановлено умови, за яких відбувається розшарування на нормальну та БК-фази (чл.-кор. НАН України Стасюк І.В., Величко О.В.).

Сформульовано нову концепцію для побудови швидкозбіжних пертурбативних розвинень при розрахунку вільної енергії у теорії рідин. Як критерій для вибору базисної системи, що означена для короткосяжної частини парної взаємодії, використано рівність виключених об’ємів в обох системах. Такий підхід забезпечує швидку збіжність розвинень, дозволяючи вже у першому наближенні отримати узагальнену версію теорії ван дер Ваальса, яка є застосовною в усьому діапазоні станів, зокрема і в області низьких температур. Ця теорія використана при дослідженні низки систем, зокрема тих, що описуються моделями Сазерленда та Букінгема. Показано, що для означення базисної системи зручно використовувати модель Юкави, яка є більш універсальним аналогом моделі твердих кульок і, як наслідок, гарантує успішне застосування такого підходу практично для усього спектру рідинних систем (Трохимчук А.Д., Мельник Р.С.).

На основі раніше отриманих строгих співвідношень для узагальнених коефіцієнтів взаємної дифузії багатокомпонентного плину виведено точні співвідношення для узагальнених парціальних іонних провідностей у псевдо-бінарних іонних розплавах, а також для розчину бінарного електроліту у нейтральному розчиннику. Ці результати узагальнено на випадок багатокомпонентної іонної суміші з довільними зарядами іонів. Отриманий результат є найзагальнішим формулюванням відомого «універсального золотого правила», яке було знайдене експериментально понад 50 років тому для бінарних іонних розплавів (чл.-кор. НАН України Мриглод І.М., Купоров В.М.).

Проаналізовано логарифмічні поправки до степеневих законів, що описують поведінку термодинамічних функцій при наближенні до точки фазового переходу. Для фазового переходу в спіновій системі на d-вимірній гратці такі поправки виникають при певних граничних значеннях вимірності параметра порядку чи вимірності простору. Знайдено співвідношення скейлінгу для цих поправок. Для спінової системи на безмасштабній мережі, у якій логарифмічні поправки виникають при граничних значеннях показника розподілу ступенів вузлів мережі, обчислено скейлінґові функції. Показано, що вони нетривіально залежать від властивостей мережі (Головач Ю.В., Пальчиков В.В.).

Досліджено низькотемпературну поведінку електронної моделі Габбарда та квантової антиферомагнітної спінової моделі Гайзенберга на класі граток із трикутними комірками-пастками. Великий клас хвильових функцій для цих моделей візуалізується як стани, що локалізовані у трикутниках-пастках, які мають додаткове виродження, пов’язане з кіральністю трикутників. Побудовано основні та низькоенергетичні збуджені стани, знайдено кратність їхнього виродження, а також обчислено їх внески у низькотемпературну термодинаміку електронної та спінової систем. Проаналізовано термодинаміку з врахуванням додаткових взаємодій, що знімають виродження за кіральністю (взаємодія електронів із магнітним полем чи міжспінова взаємодія Дзялошинського-Морія). Показано, що при врахуванні чотиривузлових взаємодій, які індукують взаємодію кіральностей сусідніх трикутників, низькотемпературна поведінка ефективно описується (псевдо)спін-1/2 XX ланцюжком, де псевдоспін відповідає кіральності, що може поширюватись по ланцюжку як спінова хвиля. Маніпулювання кіральністю може знайти своє застосування у розробці твердотільної реалізації елементів квантових комп’ютерів (Максименко М., Держко О.В.)

Розроблено огрублену модель рідкокристалічного дендримера (РКД) третьої генерації, що дозволило вперше методом молекулярної динаміки дослідити взаємозв’язок між формою макромолекули і симетрією макроскопічної фази. Модель складається із м’якої центральної сфери, до якої приєднано 32 ланцюжки, кожен із яких закінчується мезогенною групою. Останні взаємодіють через анізотропний потенціал Лінтувуорі-Вілсона. У симуляціях розглядався розплав із 100 молекул РКД в анізотропно-ізобаричному ансамблі. Виявлено конформаційну бістабільність, при якій як паличкоподібна, так і дископодібна конформації виявляються стабільними при низьких температурах. Кожна із них може ініціюватись зовнішнім полем із відповідною симетрією, що спонтанно генерує або монодоменну смектичну фазу з паличкоподібних конформацій, або ж стовпцеву фазу з дископодібних конформацій. Обидві фази стабільні майже у тому ж інтервалі температур і при нагріванні переходять в ізотропну кубічну фазу. Виявлено сильний зв’язок між конформацією РКД і симетрією об’ємної фази (Ільницький Я.М.).

б) У галузі прикладних досліджень

Розроблено аналітичні та чисельні методи розв’язку систем нелінійних автотипних рівнянь синтезу кольорів, які використано при розробці нової інформаційної технології кольороподілу зображень для видавничо-поліграфічних систем, а також запропоновано оригінальний спосіб визначення класу подібних матриць Адамара, на основі якого проведена повна класифікація базових матриць Адамара 44, що лежать в основі нової вдосконаленої технології захисту цінних паперів (Шовгенюк М.В.).

За допомогою квантово-хімічних розрахунків з використанням теорії функціоналу густини досліджено структуру поверхні кремнію Si(001), покритої воднем, що отримується в технології виробництва нанопористого кремнію. Досліджено адсорбцію атомів міді на цій поверхні та встановлено енергетично вигідні місця адсорбції. Отримано розподіл зарядів у системі та проаналізовано ефекти реконструкції поверхні при адсорбції (Мисакович Т.С.).

Для сплавів типу залізо-хром досліджено приповерхневі електронні стани при впровадженні у приповерхневі шари легких атомів типу азоту. Показано, що поверхнева енергія та робота виходу електронів суттєво залежать від типу сплаву (заміщення чи проникнення). Результати моделювання показують, що спеціально сформовані сплави типу проникнення мають нижчу енергію утворення поверхні та більші значення роботи виходу електронів. Проаналізовано енергетичні залежності шляхів проникнення азоту в такі сплави і встановлено механізми формування просторових шарів із підвищеною концентрацією азоту на глибині кількох ангстрем від поверхні. Виявлено неочікувану зміну магнітних властивостей приповерхневих шарів, що може мати прикладне значення (Павленко Н.І.).