На кафедре ведутся теоретические исследования в области создания новых наноматериалов, свойствами которых можно управлять с помощью внешнего электромагнитного поля, и в области теории магнитного резонанса, релаксации и коллективных явлений в конденсированных средах.
Функциональные наноматериалы
Задачи синтеза материалов с управляемыми свойствами вышли на новый уровень благодаря развитию техник синтеза и анализа. В рамках совместных работ с кафедрой физики твёрдого тела ПГНИУ и Университетом г. Луисвилль (США), разработан способ создания углеродных нанооболочек – полых сферических структур размерами менее 10 нм с толщиной стенки в несколько атомных слоёв, и их функционализации – присоединения к поверхности атомов азота, фтора и других химических элементов. Кроме того, разработан синтез наноразмерных частиц ферромагнитных металлов (Ni, Co, Fe), покрытых несколькими слоями углерода. Частицы достаточно малого размера обладают очень большим магнитным моментом, что позволяет рассматривать их как классические – суперпарамагнитные. Динамика ансамблей таких частиц широко исследуется во всём мире. Наличие углеродной оболочки несколько ослабляет взаимодействие частиц, а их собственная намагниченность и реакция на внешнее поле определяет особенности транспорта электронов в оболочке. Теоретические работы нацелены на создание квазиклассических и квантовомеханических моделей таких систем с целью предсказания и объяснения их электрических и магнитных свойств. Синтезируемые материалы могут найти применение при создании датчиков магнитного поля и магнитоуправляемых электронных компонентов.
Работы по исследованию наноматериалов проводятся в рамках проекта РФФИ 17-42-590271 “Исследование электромагнитных свойств углеродных нанооболочек для накопителей энергии высокой ёмкости” и проекта Международной исследовательской группы С-26/798 “Применение углеродных нанооболочек для создания новых типов суперконденсаторов”.
Магнитный резонанс и релаксация
Физика магнитного резонанса занимает одно из ключевых мест в истории кафедры теоретической физики и физического факультета ПГНИУ в целом. Исторические работы в этой области на кафедре связаны с именами И.Г. Шапошникова, Д.И. Кадырова, Е.К. Хеннера, Г.Б. Фурмана, в сотрудничестве с Лабораторией радиоспектроскопии Естественно-научного института ПГНИУ.
При помещении магнитного момента (или системы невзаимодействующих моментов) в магнитное поле происходит расщепление энергетических уровней на равноудалённые зеемановские уровни. Переход между ними может быть индуцирован дополнительным внешним полем соответствующей частоты, и система при этом интенсивно поглощает энергию поля. Для магнитных моментов большинства атомных ядер и типичных стационарных полей, достижимых в эксперименте, частота резонанса лежит в УКВ и СВЧ диапазоне. При наличии взаимодействия между магнитными моментами – дипольного или обменного, а также просто в различных молекулярных структурах, резонансные частоты отдельных моментов незначительно сдвигаются, что приводит к уширению спектра, появлению в нём дополнительных пиков и т.д. Этот эффект широко используются в физической химии для анализа структуры молекул и сложных неорганических и органических веществ – спектроскопии магнитного резонанса, и в медицине для неинвазивного получения изображений внутренних органов – магниторезонансной томографии.
Несмотря на сравнительно давнее открытие ядерного (1938) и электронного парамагнитного (1944) резонанса, в этой области остаётся ряд открытых проблем – описание резонансов при низких температурах, нелинейные эффекты взаимодействия магнитных моментов, точный аналитический расчёт магнитной восприимчивости системы, соотношение между классической и квантовой теорией, разработка алгоритмов точного моделирования спектров и др. Все эти вопросы затрагиваются в рамках исследований, проводимых на кафедре теоретической физики. В одной из новых работ В.К. Хеннера сформулирован принцип соответствия между классической и квантовой теорией описания движения магнитных моментов и эволюции полной намагниченности системы с дипольным взаимодействием. Разработан программный пакет Magnetodynamics для численного моделирования динамики системы классических магнитных моментов под действием различных внешних полей и внутренних взаимодействий.
Коллективные явления в конденсированных средах
В середине XX века мощнейший прорыв в физике твёрдого тела был совершён с приложением к этой области методов вторичного квантования и квантовой теории поля. Идея существования квазичастиц позволила получить микроскопическое описание широчайшего круга явлений. Фононы – волны смещений атомов в кристаллической решётке – позволили построить точную квантовую теорию теплоёмкости, теплопроводности, теплового расширения тел. Магноны – спиновые волны, коллективные колебания взаимодействующих магнитных моментов – стали фундаментом для построения теории ферромагнетизма и антиферромагнетизма в области низких температур. Плазмоны – элементарные колебания электронного газа в металлах и полупроводниках – позволяют детально описать оптические свойства этих сред. Несмотря на разнообразие описываемых свойств, подход на основе квазичастиц использует единый универсальный набор математических методов, что и позволило добиться прорывных результатов в квантовой теории конденсированных сред. Коллективные явления на микроуровне определяют макроскопические характеристики твёрдых тел, облегчают понимание и описание свойств плотных газов и жидкостей, плазмы. В сочетании с формализмом статистической физики неравновесных процессов, становится доступным изучение и моделирование статических и динамических явлений в конденсированных средах.
В рамках исследований кафедры теоретической физики сегодня прорабатывается теория ядерного магнитного резонанса при низкой температуре, основанная на концепции спиновых волн в системе с чисто дипольным взаимодействием. Впервые она была предложена в работах Э.Б. Фельдмана и А.К. Хитрина (Черноголовка, Россия), а на кафедре теоретической физики была сформулирована относительно недавно и независимо от предшественников. Развитие этой теории значительно расширяет представления о природе и особенностях структуры ЯМР-спектров.
Публикации:
- Salgaeva U., Zhao R., Mushinsky S., Jasinski J., Fu X., Henner V., Dharmasena R., Sumanasekera G. Photoluminescence in functionalized/doped graphene quantum dots: role of surface states. Journal of Nanomaterials and Molecular Nanotechnology (2017), vol. 6, 1000217.
- Baydin A., Henner V., Sumanasekera G. Mechanisms of fast coherent magnetization inversion in ferromagnets. Journal of Magnetism and Magnetic Materials (2017), vol. 441, p. 604.
- Циберкин К.Б., Белозерова Т.С., Хеннер В.К. Классические модели ЯМР спектра. Вестник Пермского университета. Физика (2018), №2 (40), с. 13-19.
- Price D., Henner V., Khenner M. Morphologies, metastability, and coarsening of quantum nanoislands on the surfaces of the annealed Ag(110) and Pb(111) thin films. Journal of Applied Physics (2018), vol. 124, 174302.
- Рудаков Г., Сосунов А., Пономарев Р., Хеннер В., Суманасекера Г. Синтез полых углеродных нанооболочек и их применение для суперконденсаторов. Физика твердого тела (2018), Т. 60, N. 1, с. 167.
- Циберкин К. Б. Нелинейные волны и солитоны намагниченности в парамагнетике с дипольным взаимодействием. Журнал экспериментальной и теоретической физики (2018), Т. 154, вып. 6 (12), с. 1151–1159.
- Tsiberkin K., Belozerova T., Henner V. Simulation of free induction decay at low-temperature with spin waves and classical spins. European Physical Journal (2019), vol. 92, p. 140.
- Sosunov A., Ziolkowska D., Ponomarev R., Henner V., Karki B., Smith N., Sumanasekera G., Jasinski J. CFx primary batteries based on fluorinated carbon nanocages. New Journal of Chemistry (2019), vol. 43 (33), p. 12892.
- Rudakov G., Tsiberkin K., Ponomarev R., Henner V., Ziolkowska D., Jasinski J., Sumanasekera G. Magnetic properties of transition metal nanoparticles enclosed in carbon nanocages. Journal of Magnetism and Magnetic Materials (2019), vol. 427, 34.
- Yukalov V.I., Henner V.K., Belozerova T.S. Regulating spin dynamics of graphene flakes. In: “2D and Quasi-2D Composite and Nano Composite Materials”, Elsevier, 2019.
- Сосунов А.В., Циберкин К.Б., Хеннер В.К. Влияние функционализации углеродных нанооболочек на их электрические свойства. Вестник Пермского университета. Физика (2019), № 2, с. 63-68.
- Сосунов А. В., Семенова О. Р., Суманасекера Г. Функционализация углеродных нанооболочек и ее влияние на характеристики суперконденсаторов. Вестник Пермского университета. Физика. (2020), № 2, с. 57–64.