Федеральная целевая программа «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 – 2013 годы

АННОТИРОВАННЫЙ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ОТЧЕТ

О РЕЗУЛЬТАТАХ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИХ РАБОТ, ВЫПОЛНЕННЫХ НА ЭТАПЕ № 1

«Экспериментальные исследования фазовых диаграмм сильно коррелированных и неупорядоченных систем.

Компьютерное моделирование и теоретическое изучение свойств конденсированных систем»

Соглашение от «24 августа 2012 г . № 8370

Тема: «Экспериментальные и теоретические исследования сильно коррелированных классических и квантовых систем, включая жидкости и стекла»

Исполнитель: Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики высоких давлений им. Л.Ф. Верещагина Российской академии наук (ИФВД РАН)

Ключевые слова: сильно коррелированные системы, неупорядоченные системы, фазовые переходы, высокие давления, компьютерное моделирование

1.                  Цель проекта

1.1. Экспериментальные исследования фазовых диаграмм сильно коррелированных и неупорядоченных систем. Компьютерное моделирование и теоретическое изучение свойств конденсированных систем. Подготовка и закрепление в сфере науки и образования научных и научно-педагогических кадров. Формирование и развитие научного коллектива, специализирующегося на экспериментальных и теоретических исследованиях в области физики классических и квантовых сильно коррелированных систем

1.2. Изучение свойств антиферромагнетика CeCoSi. Изучение уравнения состояния MnSi, CoS2 и FeSi при высоком давлении в среде сжатого гелия. Экспериментальное изучение фазовых переходов и структуры неупорядоченных и кристаллических систем. Изучение поведения диффузии, вязкости, времени релаксации и перехода жидкость-стекло в простых жидкостях методами компьютерного моделирования. Изучение аномального поведения систем с потенциалами с отрицательной кривизной. Исследование транспортных свойств наноструктур. Формирование и развитие научного коллектива, закрепление в сфере науки молодых ученых, включая трех молодых кандидатов наук, трех аспирантов ИФВД РАН, четырнадцать студентов Московского физико-технического института (государственный университет) (МФТИ), зачисленных на работу в НОЦ ИФВД РАН.

2.                  Основные результаты проекта

2.1. Результаты измерений удельного сопротивления, магнитной восприимчивости, теплоемкости и упругих свойства четырех образцов CoSi показывают, что CoSi является диамагнитным металлом с парамагнитной составляющей, определяемой дефектами. Возможное описание наблюдаемых явлений, по-видимому, может быть сделано в рамках концепции электронной локализации с образованием локальных магнитных моментов.

Нами были синтезированы при высоком давлении соединения MnGe и CoGe и исследованы их магнитные свойства и теплоемкость. Были измерены зависимости магнитного момента MnGe от величины магнитного поля (до 6 Тесла) при температурах 2-350 К. На основании этих измерений была построена магнитная Т-Н диаграмма MnGe, которая имеет вид, аналогичный диаграммам других соединений со структурой типа MnSi. Была измерена теплоемкость MnGe и CoGe при температурах 2-300 К. Так как CoGe является изоструктурным немагнитным аналогом MnGe, то была также определена магнитная энтропия MnGe. Она составляет 3.55 Дж/моль-К2 (0.62Rln2) и 93% от этой величины приходится на интервал температур ниже 175 К. Было обнаружено, что заметного пика теплоемкости при температуре магнитного упорядочения 175 К в MnGe не наблюдается, в отличие, например, от MnSi.

Синтезирован ряд новых стекол высокого давления в системах фосфор-селен, фосфор-сера в кристаллической и аморфной фазах: оксиды P2O5; галогениды TeCl4; SeCl4; псевдомолекулярные халькогениды фосфора P4S3; P4Se3; P4S10; халькогениды германия GeS2; GeSe2. Были проведены in situ исследования структуры соответствующих расплавов и стекол халькогенидов фосфора (P4S3, P4Se3 и др) в сжатом состоянии. Были синтезированы новые стеклообразные и аморфные модификации данных веществ как путем закалки из расплава при высоких давлениях, так и методом твердофазной аморфизации при умеренных температурах и сверхвысоких давлениях. Начато изучение структуры полученных стекол методами рентгеновской и нейтронной дифракции и их оптических свойств – методом рамановской спектроскопии. Кроме того, проанализировано поведение эффективного коэффициента расширения для расплавов и стекол, испытывающих размытые фазовые превращения.

Методом диэлектрической спектроскопии и ультразвуковым методом исследованы под давлением в широком диапазоне температр релаксационные и упругие характеристики хорошо известного стеклообразующего молекулярного вещества, пропиленкарбоната (PC). Показано, что в рекордном для подобных систем интервале изменения давлений (до 4.1 ГПа) и плотностей диэлектрический спектр пропиленкарбоната остается простым, и наблюдается только первичная -релаксация, отвечающая замораживанию движения молекул при переходе жидкость-стекло. При этом ультразвуковые измерения указывают на существенный нецентральный вклад в межмолекулярный потенциал в стеклообразном пропиленкарбонате.

На основе теоретических рассмотрений, из данных компьютерного моделирования и из анализа большого массива экспериментальных данных установлено существование границы, разделяющей зону флюидов при давлениях выше критического на 2 части с различным типом движения частиц и качественно различным поведением физических свойств.

В рамках компьютерного моделирования проанализирован порядок следования аномальных областей в системах с потенциалами с отрицательной кривизной и показано, что при изменении параметров потенциала можно воспроизвести как водоподобное поведение, так и поведение, характерное для диоксида кремния.

В рамках компьютерного моделирования методом молекулярной динамики исследовано поведение диффузии и вязкости в широком интервале давлений и температур для систем с потенциалом «мягких сфер» и Леннарда-Джонса и показано, что, несмотря на возрастание вязкости вдоль кривой плавления, система не переходит в стекло в силу уменьшения времени релаксации.

Рассмотрены флуктуационные поправки к наблюдаемым вблизи фазового перехода второго рода, когда эффективный гамильтониан неэрмитов и показано, что PT-симметрия стабилизирует флуктуации. Полученные результаты могут быть применимы к описанию транспортных свойств низкоразмерных сверхпроводников вдали от равновесия. Построена фазовая диаграмма квантовой двумерной J1-J2-J3 модели Гейзенберга. Выполнен последовательный теоретический BCS – like анализ общих свойств двухзонных сверхпроводников.

Построен метод квазиклассического квантования матричных гамильтонианов. Метод позволяет находить g-фактор, который в действительности зависит от энергетической переменной. Он вычислен для графенового бислоя, что позволило определить уровни Ландау в случае, когда точное квантование невозможно. Описана динамика графена, вычислена дисперсия акустических и оптических мод, а также скорости звука для волн с различной поляризацией, рассмотрены эффекты электрон-фононного взаимодействия и проблема устойчивости графеновой решетки. Исследованы физические свойства графена (электронный спектр, оптические свойства, электрон-фононное взаимодействие); магнито-оптические эффекты -- эффекты Фарадея и Керра, а также коэффициенты отражения и прохождения света в графеновом семействе (графен, бислой. графит).

2.2. В ИФВД РАН были синтезированы новые экспериментальные образцы. Все результаты исследований экспериментальных образцов были получены впервые.

Нами предложена новая «динамическая» линия, разделяющая жидкость и флюид, которая связана с различием типов траекторий частиц и механизмов диффузии в жидкостях и плотных газах.

2.3. Соединения, имеющие кубическую структуру типа В20 без центра инверсии, такие как MnSi и FeGe привлекают в последнее время значительное внимание. Появление в них геликоидальной магнитной структуры с длинным периодом (сотни межатомных расстояний) обусловлено взаимодействием Дзялошинского-Мория и связано с их специфической кристаллической структурой. В настоящее время на части магнитной Т-Н диаграммы MnSi, FeGe и Fe1-xCoxSi обнаружены необычные магнитные структуры и обнаружен так называемый топологический эффект Холла. Идет дискуссия, можно ли объяснить эти явления появлением решетки скирмионов. Среди других возможных структур моногерманидов кубическая структура В20 является наиболее плотной, поэтому синтез при высоком давлении позволяет естественным образом получить соединения моногерманидов с данной структурой.

При сжатии многие кристаллы испытывают фазовые переходы 1-го рода, чаще всего сопровождаемые изменением структуры (полиморфные переходы) и большинства свойств. При наиболее радикальных структурных перестройках изменяется координационное число (число ближайших соседей у атомов или молекул), а иногда и характер межчастичного взаимодействия. В последние десятилетия было обнаружено, что жидкости и стекла при изменении температуры и давления так же, как и кристаллы, могут испытывать фазовые превращения, сопровождаемые изменением структуры ближнего порядка (в том числе, координационного числа) и физических характеристик.  В некоторых веществах (например, в жидком фосфоре) эти превращения являются резкими фазовыми переходами 1-го рода, однако в большинстве случаев они происходят в широкой области давлений и температур.

Ранее нами был предложен потенциал сглаженных коллапсирующих сфер, который состоит из «твердого» ядра (обратное расстояние между частицами в 14-й степени) и мягкого плеча. Благодаря такой форме потенциала в системе возникает две характерных длины — размер ядра и отталкивательного плеча. В наших предыдущих работах были построены фазовые диаграммы системы сглаженных коллапсирующих сфер для нескольких величин ширины отталкивательного плеча, и была обнаружена чрезвычайно сильная зависимость фазовой диаграммы от этого параметра. Ранее в рамках компьютерного моделирования было показано, что переход жидкость-жидкость может возникать только в системах, потенциал которых содержит как отталкивательное ядро, так и притягивающую часть. В этой связи в нашей работе на 1 этапе потенциал сглаженных коллапсирующих сфер был обобщен — в его функциональную форму была добавлена притягивающая яма.

3.                  Назначение и область применения результатов проекта

3.1. Результаты НИР могут быть использованы при исследовании физики сильно коррелированных электронных систем и квантовых фазовых переходов в физических институтах Российской Академии Наук (Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН, Институт кристаллографии им. А.В. Шубникова РАН, Институт общей физики РАН, Институт физики твердого тела РАН, Институт физических проблем им. П.Л. Капицы РАН, Объединенный институт высоких температур РАН, Институт физики металлов УрО РАН).

Исследования переходов в жидкостях и стеклах очень важны для понимания свойств коллоидов, растворов протеинов, полимеров и могут иметь приложения в биологии и медицине.

Кроме того, результаты изучения жидкого оксида фосфора P2O5 под давлением важны для геофизики и тектоники и могут быть применены в геофизических институтах Российской Академии Наук (Объединенный институт физики земли им. О. Ю. Шмидта, Институт геофизики СО РАН).

В рамках исследования флуктуационных эффектов в сверхпроводниках были рассмотрены флуктуационные поправки к наблюдаемым вблизи фазового перехода второго рода, когда эффективный гамильтониан неэрмитов. Показано, что PT-симметрия стабилизирует флуктуации. Полученные результаты могут быть применимы к описанию транспортных свойств низкоразмерных сверхпроводников вдали от равновесия.

4.                  Перспективы развития исследований

1) Участие в ФЦП способствовало формированию новых исследовательских партнерств:

США, сотрудничество по теме: «Синтез и изучение новых сверхтвердых материалов»,  профессор А.Р. Оганов (Университет Штата Нью Йорк (Стони Брук));

Франция, сотрудничество по теме: «Изучение свойств ионных жидкостей методами компьютерного моделирования;

Япония, научные исследования на Синхротрон SPring – 8;

Франция, Великобритания, сотрудничество по теме: «Исследование халькогенидных стекол, синтезированных под давлением в ИФВД РАН», профессор К. Траченко (Университет “Queen Mary University of London”);

Россия, Екатеринбург, научные исследования жидкостей и стекл в системах с отрицательной кривизной в области отталкивания, с.н.с., к.ф.-м.н. Р.Е. Рыльцев (Институт металлургии УрО РАН).

2) Краткая информация о проектах научного коллектива по аналогичной тематике.

Программа Президиума РАН «Вещество при высоких плотностях энергии»; Программа ОФН «Сильно коррелированные электроны в твердых телах и структурах»; РФФИ (№ 10-02-00614) «Теория сильно коррелированных спиновых и зарядовых возбуждений в вырожденных антиферромагнитных полупроводниках и кондо-диэлектриках»; РФФИ (№ 10-02-01407) «Взаимосвязь структуры, уравнения состояния, упругих свойств и полиморфизма в молекулярных и ковалентных веществах при высоком давлении»; РФФИ (№ 10-02-00694) «Исследование фазовых диаграмм конденсированных систем методами функционала плотности и компьютерного моделирования»; РФФИ (№ 10-02-00700) «Неравновесные флуктуации в классических и квантовых композиционных структурах»; РФФИ (№ 11-02-00303) «Фазовые превращения под давлением в кристаллическом, жидком и стеклообразном оксиде фосфора P2O5»; РФФИ (№ 11-02-00341) «Теоретическое изучение аномального поведения, структурных свойств, динамики и перехода в стекло в системах с потенциалами с отрицательной кривизной в области отталкивания».

3) Великобритания, Университет “Queen Mary University of London”; США, Университет Штата Нью Йорк (Стони Брук); Япония, Синхротрон SPring – 8.

5.                  Опыт закрепления молодых исследователей – участников проекта (этапа проекта) в области науки, образования и высоких технологий

Дудалов Дмитрий Евгеньевич, 25.03.1986 года рождения, принят на работу на должность мнс Исполнителя;

Озерин Алексей Юрьевич, 24.02.1988 года рождения, зачислен в очную аспирантуру Исполнителя, принят на работу на должность мнс Исполнителя;

Шварцберг Александр Владимирович, 07.03.1987 года рождения, принят на работу на должность мнс Исполнителя;

Данилов Игорь Владимирович, 05.08.1991 года рождения, принят на работу на должность ст. лаб. Исполнителя;

Логинов Александр Михайлович, 17.06.1991 года рождения, принят на работу на должность ст. лаб. Исполнителя;

Саламатин Денис Александрович, 05.02.1991 года рождения, принят на работу на должность ст. лаб. Исполнителя;

Ильичев Иван Дмитриевич, 18.02.1992 года рождения, принят на работу на должность лаб. Исполнителя;

Гайдук Евгений Алексеевич, 21.09.1992 года рождения, принят на работу на должность лаб. Исполнителя;

Энкович Павел Вячеславович, 06.08.1990 года рождения, принят на работу на должность ст. лаб. Исполнителя;

Чумаков Евгений Сергеевич, 21.09.1992 года рождения, принят на работу на должность лаб. Исполнителя;

Пинягин Александр            Николаевич, 21.01.1993 года рождения, принят на работу на должность лаб. Исполнителя;

Шараборин Евгений Львович, 21.12.1992 года рождения, принят на работу на должность лаб. Исполнителя;

Попов            Максим Андреевич, 31.05.1993 года рождения, принят на работу на должность лаб. Исполнителя;

Поликарпова Ульяна Алексеевна,            01.09.1994 года рождения, принят на работу на должность лаб. Исполнителя;

Пеньков Арсений Андреевич, 27.10.1994 года рождения, принят на работу на должность лаб. Исполнителя;

Шамсутдинов Ильмир Халимович, 25.10.1994 года рождения, принят на работу на должность лаб. Исполнителя;

Разгулов Александр            Александрович, 07.04.1995 года рождения, принят на работу на должность лаб. Исполнителя;

Корлякова Екатерина Юльевна, 15.07.1995 года рождения, принят на работу на должность лаб. Исполнителя;

  About HPPI ~ Brief history of HPPI ~ Scientific divisions ~ Scientific activities ~ Our products ~  Office of the director ~