Найважливіші досягнення Інституту фізики конденсованих систем НАН України у 2017 році

Одним із проявів якісної зміни властивостей надкритичних плинів від поведінки, що типова для газів, до поведінки рідинного типу є прояв «позитивної дисперсії» звукових збуджень в експериментах із розсіяння. Для опису цього ефекту запропоновано підхід, що базується на аналітичних результатах, отриманих в рамках термов’язкоеластичної моделі узагальненої гідродинаміки. Паралельно розвивалися уявлення про наявність «лінії Френкеля» на фазовій діаграмі плинів, що розділяє газоподібні плини від плинів рідинного типу. Для аналізу умов, запропонованих для означення «лінії Френкеля», проведено МД моделювання надкритичного неону вздовж ізотермічної лінії, для якої існують експерименти із розсіяння Х-променів. Показано, що припущення про існування низькочастотного обрізання за частотою для поперечних колективних збуджень (на чому базується підхід «лінії Френкеля») суперечить як результатам МД, так і аналітичним результатам термов’язкоеластичної моделі. Проаналізовано вирази для позитивної дисперсії звуку та питомої теплоємності у підході «лінії Френкеля» та виявлено його основні протиріччя з узагальненою гідродинамічною теорією (Брик Т.М., акад. НАН України Мриглод І.М.).

Функціональні фотокеровані матеріали все ширше застосовуються на практиці, зокрема у медицині у формі нано- та мікрошаблонів, сенсорів, штучних м’язів тощо. В основі дії таких матеріалів – поглинання енергії світла чутливими групами, наприклад азобензиновими хромофорами, в результаті чого ця енергія конвертується в механічну роботу. У більшості випадків така конвертація здійснюється при відносно слабій інтенсивності опромінення і при температурах, суттєво нижчих за температуру переходу полімера у стан скла. Нещодавні експерименти вказують, що під впливом світла у стані скла виникають значні напруження, які здатні розірвати шар графену, поміщений на поверхню азобензиновмісного полімеру. Досі не існувало аргументованих пояснень механізму виникнення таких гігантських напружень. З цією метою проведено дослідження кінетики фотоізомеризації і часової еволюції впорядкування в азобензиновмісних полімерних матеріалах. Виходячи із кінетичних рівнянь фотоізомеризації показано, що поглинання світла еквівалентне до дії ефективного потенціалу, який переорієнтовує азобензинові групи перпендикулярно до вектора поляризації світла. До тих же висновків приводять і результати комп’ютерного моделювання таких систем. Отримано співвідношення для амплітуди цього потенціалу залежно від оптичних і в’язко-еластичних властивостей матеріалу. Фотоіндукований потенціал, в свою чергу, призводить до виникнення гігантського напруження близько кількох гігаПаскаль для типових азобензиновмісних полімерів, що пояснює експериментальні результати. Запропонований підхід дозволяє глибше зрозуміти фізичні процеси у фотокерованих функціональних матеріалах, що важливо для подальших застосувань (Ільницький Я.М.).

Методом аналізу нулів статистичної суми досліджено одновимірну модель Поттса з невидимими станами та взаємодією найближчих сусідів. Якщо два сусідні спіни лежать в одному і тому ж видимому стані, то така конфігурація вносить вклад в енергію взаємодії. Невидимі ж стани не змінюють енергії взаємодії, але впливають на ентропію. Зазвичай фазові переходи виникають через конкуренцію між ентропією та енергією. Добре відомо, що теореми, які забороняють фазові переходи в одновимірних системах, є наслідком надлишку ентропії, що не дозволяє досягти необхідного для переходу балансу між ентропією та енергією. Виявлено дві можливості для появи фазового переходу в одновимірній системі при ненульовій температурі, а саме через дію зовнішнього комплексного магнітного поля, що діє на невидимі стани, або ж у випадку від’ємної кількості невидимих станів. Незважаючи на те, що обидві ці умови передбачають нефізичні значення параметрів, при їх виконанні модель можна звести до квантових моделей, для яких навіть в одному вимірі можливий фазовий перехід при ненульовій температурі (Сарканич П.В., чл.-кор. НАН України Головач Ю.В.).

Методом молекулярної динаміки досліджено функціоналізовані вуглецеві нанотрубки в ролі адсорбційних центрів для іонів уранілу у водних розчинах, зокрема проведено порівняння адсорбційної здатності (8,8)-нанотрубок із функціональними групами COOH і COO- та оцінено роль фактора їх взаємного розміщення. Для порівняння випадків із нейтральними COOH і зарядженими COO- групами вважалося, що титрування розчину із групами COOH сильною основою NaOH перетворює їх на заряджені групи COO-, утворюючи додаткові молекули води та іони Na+. Катіони Na+ і (UO2)2+ конкурують за асоціативні вакансії на нанотрубках. Отримані результати вказують на слабу асоціативність між групами COOH та іонами (UO2)2+, на відміну від випадку груп COO-. Показано, що групи COO- проявляють необхідну катіонну селективність (асоціюють із іонами (UO2)2+, а не Na+) і зв'язують іони уранілу навіть при відносно низьких концентраціях – 0.03моль/л. Крім хімічної природи функціональних груп, розглянуто випадки їх густого і розрідженого розміщення. Перший моделює високофункціоналізовану нанотрубку, де групи формують спільний асоціативний домен, а при розрідженому розміщенні, кожна з груп діє як окрема вакансія. Розміщення має слабий вплив на асоціативну здатність між іонами уранілу і групами COOH, проте відіграє суттєву роль для випадку груп COO-. Зокрема, при густому розміщенні через своєрідний ефект насичення – іони уранілу займають пару сусідніх асоціативних вакансій, блокуючи доступ іншим, – зменшується асоціативна здатність нанотрубки. Розріджене розміщення функціональних груп позбавлене цього недоліку і тому може зв'язати більшу кількість іонів уранілу з допомогою тієї ж кількості груп (Дручок М.Ю.).

Розглянуто квантову модель Гайзенберга на двошаровій квадратній ґратці. Досліджено властивості моделі за наявності зовнішнього магнітного поля із двома різними орієнтаціями. Така спінова модель може бути використана для опису властивостей нещодавно синтезованої магнітної сполуки Ba2CoSi2O6Cl2. Показано, що запропонована модель адекватно описує наявні експериментальні факти. Запропоновано нові експерименти, які дозволять виявити зумовлений зміною поля фазовий перехід, що веде до впорядкування у сполуці при низьких температурах. Оскільки сполука чутлива до напрямку, вздовж якого прикладене магнітне поле, то це можна використати для ідентифікації різних фаз впорядкування із певними характерними ознаками, зокрема такий фазовий перехід можна виявити, вимірюючи теплоємність, яка матиме логарифмічну сингулярність у температурній залежності при Ttrans(H) чи у польовій залежності при Htrans(T). Ці дослідження виконані О. Крупніцькою, В. Балігою, Т. Крохмальським, О. Держком у співпраці з Йоганесом Ріхтером (університет Магдебурга, Німеччина).

На математично строгому рівні виконано розрахунки базових інтегралів Фейнмана, необхідних для теоретичного опису складних анізотропних і просторово обмежених систем. На цій основі виведено деякі нові співвідношення між спеціальними математичними функціями і запропоновано деякі нові результати для інтегралів і подвійних сум, що представляють інтерес в теорії чисел. Для досліджень таких математичних об'єктів запропоновано і успішно застосовано метод параметризації Фейнмана – підхід, стандартний у квантовій теорії поля і теорії критичних явищ, але практично невідомий у середовищі математиків. Отримані результати можуть бути успішно застосованими для досліджень нетривіальних залежностей критичних показників сильно анізотропних систем у точці Ліфшиця від вимірності фізичного простору. Вони також розкривають перспективу подальших теоретичних досліджень таких систем при їх просторовому обмеженні і виникненні флуктуаційно індукованих сил між граничними поверхнями (Шпот М.А.).

Досліджено ефекти, що пов’язані з бозе-конденсацією у сумішах бозе- та фермі-атомів в оптичних ґратках. Встановлено умови, за яких внаслідок зміни роду фазового переходу відбувається фазове розшарування з появою краплин бозе-конденсату. Передбачено можливість так званої «реентрант» поведінки, коли конденсат існує при проміжних температурах, зникаючи при прямуванні до абсолютного нуля. Фазова поведінка таких сумішей розрахована аналітично і узгоджується з даними комп’ютерного моделювання. Оптичні ґратки з ультрахолодними атомами вважаються перспективними фізичними об’єктами з огляду на перспективи створення квантових комп’ютерів (Краснов В.О., чл.-кор. НАН України Стасюк І.В.).

В сегнетоелектрику фосфіт гліцину (GPI) фазовий перехід у сегнетофазу пов’язаний із впорядкуванням протонів на водневих зв’язках. Важливою властивістю GPI є можливість переорієнтації локальних дипольних моментів (сформованих протонами і сусідніми гліциновими групами) зовнішнім електричним полем E_z, перпендикулярним до сегнетоелектричної осі OY. Вона проявляється в пропорційному до E_z² зменшенні температури фазового переходу T_c і в зростанні із E_z аномалій поперечної проникності ε_zz. Ми розвинули модель протонного впорядкування для GPI, врахувавши п’єзоелектричний зв’язок протонної підсистеми з деформацією гратки. В наближенні двочастинкового кластера проведено розрахунки діелектричних, п’єзоелектричних і теплових характеристик. При належному виборі модельних параметрів отримано задовільний кількісний опис наявних експериментальних даних. Показано, що досить доброго опису температурної залежності ε_zz можна досягти, припустивши наявність малої поздовжньої компоненти поля E_y (порядку~0.05E_z). Така компонента могла б виникнути внаслідок неповної реорієнтаційної релаксації гліцинових груп; не виключено, також, можливість деякого відхилення прикладеного поперечного поля від осі OZ протягом експерименту.

Показано, що гідростатичний тиск знижує температуру T_c. При малих тисках фазовий перехід залишається другого роду, а починаючи з деякого критичного тиску ~4•108Па перехід стає першого роду. При дейтеруваннi кристала GPI вплив гідростатичного тиску на термодинамiчнi характеристики суттєво зменшується. (Левицький Р.Р., Вдович А.С., чл.-кор. НАН України Стасюк І.В.).

Проведено кількісний аналіз публікацій "Журналу фізичних досліджень'' на основі його бази даних, що містить бібліометричну інформацію про 962 статті, опубліковані у 1996-2016 роках. Дослідження співпраці авторів журналу виконано із застосуванням теорії складних мереж. Уся мережа співавторства містить 1344 вузли (автори), поєднані 2386 зв'язками (наявність спільної публікації). Побудовано мережі співавторства на рівні авторів, країн, міст України, а також на рівні тематичних рубрик, вивчено географію та динаміку співпраці та обчислено відповідні характеристики складних мереж. Тематичний розгляд публікацій здійснено на підставі рубрикатора PACS, а для аналізу цитування опублікованих статей застосовано кілька моделей із використанням дискретних та неперервних розподілів. Отримані результати можуть бути корисними як для оцінювання наукового журналу в цілому, так і для формування редакційної політики на майбутнє (чл.-кор. НАН України Головач Ю.В., Мриглод О.І., Красницька М.).

Рис. Статистика спільних публікацій авторів з різних міст України. Радіус круга для кожного міста залежить як ln(n+1) від кількості n публікацій авторів із цього міста. Зв'язки між містами (лінії) є незваженими, тобто відображають лише сам факт співпраці між містами.

Нова теоретична модель цифрової обробки і синтезу кольорів застосована як до розробки нової інформаційної технології цифрового кольорового друку, так і для нового принципу відтворення кольорів на моніторі, а також кодування інформації. Інноваційна новизна запропонованих технологій базується на новому принципі кольорового відтворення на основі аналітичних методів аналізу та синтезу кольорових зображень. У випадку кольорового друку кожен піксель зображення відтворюється лише двома кольоровими та чорною фарбами. Технологія забезпечує оптимальні технологічні умови для кольорового друку та значної економії (понад 50%) кольорових фарб. У випадку запропонованої нової інноваційної технології для відтворення зображення на екрані кольорового монітора, що базується на фізіологічній моделі Хюбела, забезпечується мінімальне споживання енергії. Розроблена інноваційна технологія для кодування кольорових зображень на основі реального перетворення Хартлі дозволяє кодувати великогабаритні цифрові кольорові зображення з високою роздільною здатністю, що забезпечує високий рівень захисту конфіденційної інформації (Шовгенюк М.В.).