Найважливіші досягнення Інституту фізики конденсованих систем НАН України у 2015 році

а) У галузі фундаментальних досліджень

Пастка Пеннінга використовується для дослідження індивідуальних характеристик заряджених частинок (електронів, протонів, іонізованих атомів). Заряджені частинки утримуються електромагнітним полем, що є комбінацією сильного однорідного магнітного поля від 3 до 5 Тесла, генерованого надпровідним магнітом, і квадрупольного електростатичного поля, генерованого електродами пастки. Вперше досліджено релятивістську динаміку класичного точкового заряду в робочій камері пастки Пеннінга. Дотепер розглядались лише наближені моделі, з точністю до першого порядку за параметром v2/c2. Оскільки квадрупольний потенціал симетричний відносно поворотів навколо осі z, динамічну систему можна редукувати до двох ступенів вільності. Аналіз перерізу Пуанкаре свідчить про співіснування хаотичних, квазіперіодичних і навіть періодичних орбіт. Існування періодичних орбіт означає теоретичну можливість застосування пристроїв, аналогічних пастці, для вимірювання характеристик високоенергетичних частинок із коротким часом життя, зокрема позагалактичних космічних променів ( Яремко Ю.Г., Chaos v.25, 053102, 2015).

Важливою особливістю протеїнів, розчинених у водно-електролітичному середовищі, є їх здатність до агрегації. При створенні біотехнологічних ліків, що мають мати малу в’язкість, цей процес відіграє негативну роль. Агрегація протеїнів є визначальною у процесах протеостазису і перебігу нейродегенеративних захворювань (хвороби Альцгеймера, Паркінсона, Хантінтгтона тощо). Проте механізми агрегації протеїнів досі слабо вивчені. Для їх теоретичного дослідження запропоновано нову модель, що складається із системи твердих сфер із певною кількістю силових центрів на їхній поверхні. Силові центри, які належать різним частинкам, взаємодіють між собою через потенціал типу квадратної ями, а інтенсивність взаємодії залежить від природи сольового розчину. Використовуючи невеликий набір параметрів та інформацію про температуру точки помутніння (clout-point temperature), вдалося отримати хороше узгодження теоретичних та експериментальних результатів для кривих фазового співіснування рідина-рідина, другого віріального коефіцієнта та осмотичної стисливості для водно-сольових розчинів лізозиму та гама-кристаліну в залежності від природи розчиненої солі (Ю.В. Калюжний в співпраці з групою В. Влаші з університету м. Любляна (Словенія)).

Дослідження критичної поведінки взаємодіючих частинок, локалізованих на вузлах складних мереж, має низку цікавих застосувань – від задач соціофізики до нанофізики. Вперше застосовано метод аналізу нулів статистичної суми в комплексній площині до моделі Ізінга на складній мережі зі степенево-спадною функцією розподілу ступенів вузлів . Для граткової моделі Ізінга справедлива теорема Лі-Янга: нулі в площині комплексного магнітного поля є чисто уявними. Показано, що на відміну від граткових систем, у випадку складної мережі теорема порушується у певному діапазоні λ (для т.зв. розподілів із «товстим хвостом»). Нещодавно було аналітично та експериментально встановлено, що уявні нулі Лі-Янга пов’язані з часами квантової когерентності спінових систем. А отже, фізична інтерпретація нулів Лі-Янга важлива не лише для розуміння критичної поведінки на фундаментальному рівні, але й для пошуку експериментальних методів їх вивчення (М. Красницька, Ю. Головач спільно з Р. Кенною (Університет Ковентрі, Англія) та Б. Бершем (Університет Лотарингії, Нансі, Франція)).

Моделі відкритих квантових систем цікаві з огляду на перспективи їх застосувань у квантових комп’ютерах. Досліджено можливість динамічного «очищення» відкритої квантової системи внаслідок її взаємодії з оточенням. На прикладі моделі з розфазуванням показано, що термостат може впливати на її динаміку по-різному. Так, при неселективних квантових вимірюваннях певного типу можливий значний ріст чистоти системи на початковому етапі її еволюції, що важливо для побудови квантових регістрів збереження інформації. Досліджено також вплив неселективних квантових вимірювань на переповненому базисі векторів стану. Знайдено, що на відміну від проективних вимірювань фон Ноймана, при певному налаштуванні вимірювального пристрою існує можливість додаткового очищення q-біта, який у початковий момент перебував у максимально змішаному стані, шляхом зміни темпе¬ратури його оточення. Отримані результати можуть мати практичне застосування у теорії квантових вимірювань та контролю (Ігнатюк В.В.)

Точно розв’язуваний cпін-1/2 ромбічний ланцюжок Ізинга-Гайзенберга з геометричною фрустрацією узагальнено до повністю квантового ромбічного ланцюжка шляхом додавання до взаємодій Ізинга малої XY частини. Використавши багаточастинкову теорію збурень отримано ефективний гамільтоніан, який описує низькотемпературну поведінку повністю квантової моделі в околі критичного магнітного поля, при якому основний стан ланцюжка Ізинга-Гайзенберга змінюється з феррімагнітного на повністю намагнічений стан. Числовими розрахунками по методу точної діагоналізації і методу ренормалізаційної групи для матриці густини досліджено польову поведінку намагніченості для сильних полів при низьких температурах і низькотемпературну поведінку теплоємності при сильних полях для вихідної та ефективної моделей. Показано, що додана XY частина призводить до появи фази спінової рідини, в якій польова залежність намагніченості змінюється неперервно, між феррімагнітною фазою з намагніченістю 1/3 і повністю намагніченою фазою. Розроблений підхід може бути застосований для дослідження квантових узагальнень інших гібридних систем, подібних до розглянутої моделі Ізинга-Гейзенберга (Крупніцька О., Лісний Б., Держко О.).

Вивчено вплив інтеркаляції на електронну зонну структуру шаруватої наногібридної сполуки типу GaSe зі стадійним впорядкуванням, що формується пакетами з невеликим числом шарів. Такі матеріали широко використовуються для високоємних акумуляторів і суперконденсаторів. В основу розгляду покладено модифіковану версію періодичної моделі Андерсона. Розраховано густину електронних станів і досліджено електронний внесок у квантову ємність системи, інтеркальованої нейтральними домішками з лоренцовим розмиттям локальних рівнів, що спричинене електронними кореляціями. Розглянуто випадки, коли інтеркальовані частинки формують додаткову енергетичну зону у вигляді вузької домішкової зони (при достатній віддаленості від основної), або відносно широкої, що гібридизована з основною (при їх перекритті). Виявлено та проаналізовано аномальну поведінку електронної складової ємності в області сингулярностей густини станів, що виникають при стадійному впорядкуванні та внаслідок ефектів гібридизації. Досліджено зміни у повній густині електронних станів та квантовій ємності, які виникають завдяки розширенню домішкових рівнів і збільшенню концентрації інтеркалянта (Величко О.В., чл.-кор. НАН України Стасюк І.В.).

б) У галузі прикладних досліджень

Досліджено систему макромолекул, модифікованих хромофорними азобензиновими групами. При опроміненні такої системи відбувається фото-ізомеризація хромофор із trans до cis стану із зворотнім переходом. Імовірності переходів залежать від інтенсивності та довжини хвилі світла і орієнтації хромофори відносно вектора поляризації. Запропоновано мезоскопічну модель із швидкою релаксацією і фіксованим співвідношенням характерних часів фото-ізомеризації та орієнтаційної релаксації, що типово для експериментальних систем. Розраховано ефективний переорієнтовуючий потенціал, що діє на ізомери внаслідок їх фото-ізомеризації та розподіл їхніх орієнтацій для широкого інтервалу значень інтенсивності і довжин хвилі опромінення. Проведено моделювання фото-контрольованого впорядкування 200 наночастинок золота, модифікованих хромофорами. При відсутності опромінення морфологія системи (шарувата смектична чи ізотропна) контролюється температурою, що відтворено в процесі моделювання. При різкому охолодженні формується склоподібна полідоменна морфологія. Вивчено можливість фото-керованого переходу такої морфології до монодоменної без зміни температури системи (Ільницький Я.М., опубліковано в J.M.Ilnytskyi, M.Saphiannikova, ChemPhysChem, v.16, p.3180, 2015).

Розроблено аналітичні методи синтезу кольорового зображення за традиційними технологіями кольороподілу (три кольорові + чорна фарби) та новою технологією ICaS-ColorPrint (дві кольорові + чорна фарби) для багатофарбового друку. Показано ефективність використання нової технології, яка забезпечує високу якість кольоровідтворення зображення на відбитку, оптимальні технологічні умови кольорового друку та досягнення значної економії (понад 50 %) використання кольорових фарб. Розроблено нові методи цифрової обробки кольорового зображення для кількісної оцінки максимального накладання кольорових та чорної фарб в темних ділянках на відбитку та гамма-корекції (додавання та віднімання) кольорових фарб на стадії додрукарської підготовки форм. Розроблено і подано на державну реєстрацію нову версію комп’ютерної програми «ICaS – Color Synthesis 2.0» (Шовгенюк М.В.).