Научные исследования сектора теоретической физики

Учёные и инженеры сектора теоретической физики проводят исследования по нескольким научным направлениям.

1). Электропроводящие свойства водных растворов электролитов (академик С.Одинаев, н.с. Х.Идибегзода).

Краткие сведения о выполненной работе.
На основе ранее полученного аналитического выражения для модуля электроупругости, когда релаксирующие потоки затухают по экспоненциальному закону, для определенной модели раствора и явных выражений для потенциала межмолекулярного взаимодействия и радиальной функции распределения, в зависимости от концентрации и температуры проведен численный расчет для водного раствора хлорида натрия. Также, на основе аналитического выражения динамического коэффициента удельной электропроводности полученной методом кинетических уравнений, при определенном выборе модели раствора, энергия межчастичного взаимодействия и радиальная функции распределения, проведены численный расчет для водных растворов хлоридов лития, натрия калия и цезия, в зависимости от концентрации, температуры и частоты.

На основе соотношения ранее полученных аналитических выражения для коэффициентов диэлек­трической проницаемости  и диэлектрических потерь  растворов электролитов, исследована область частотной дисперсии динамических коэффициентов  и  водных раство­ров LiCl, NaCl, КС1, CsCl и KF. Проведены численные расчеты коэффициентов трения ,  и времён релаксации , и , а также коэффициентов  и  в широком интервале изменения плот­ности, концентрации, температуры и частот. Полученные теоретически вычисленные ре­зультаты ,   и диаграмма Коула-Коула находятся в количественном согласии с экспери­ментальными данными. Методом кинетических уравнений получены аналитические выражения для динамического коэффициента удельной электропроводности когда релаксирующие потоки затухают по экспоненциальному закону. Исследованы частотное поведение этого коэффициента в широком диапазоне частот, а также асимптотические поведения при низких и высоких частотах. Коэффициент удельной электропроводность наряду с молекулярными параметрами, содержат потенциальную энергию взаимодействия и радиальную функцию распределения. При определенной модели раствора и явных выражений для и проведены численные расчеты коэффициентов  трения времена релаксации, а также коэффициент удельной электропроводности для водных растворов LiCl, NaCl, KCl и CsCl в зависимости от концентрации, плотности и температуры. Полученные теоретические данные сравнены с экспериментальными результатами, которые находятся в удовлетворительном согласии.

2). Исследования в области нелинейной математической физики и теории конденсированных сред (академик Х.Х.Муминов, в.н.с. Ф.Шокир).

Краткие сведения о выполненной работе.
На основе численного моделирования многосолитонных решений класса скалярных и векторных нелинейных уравнений Шредингера, полученных методом конечнозонного интегрирования, проведено моделирование процесса передачи нелинейных возбуждений в двух- и трехуровневых системах. В частности, методами численного моделирования проведен анализ бризерной динамики нелинейных возбуждений многосолитонного типа, описываемых скалярным нелинейным уравнением Шредингера с потенциалом притяжения при наличии диссипации и подкачки внешними полями. Наблюдается формирование когерентных диссипативных структур и появление классического аттрактора в фазовом пространстве скалярного нелинейного уравнения Шредингера с притягивающим потенциалом.

В результате проведения серии численных экспериментов по исследованию эволюции двухсолитонного решения  нелинейного уравнения Шредингера с потенциалом отталкивания показано, что бризерная динамика проявляется при движении солитона с ненулевой скоростью. Вместе с тем, при наличии диссипации и подкачки даже неподвижное, статическое двухсолитонное решение проявляет бризерную динамику. Анализ фазового портрета системы показывает формирование классического аттрактора, приводящего к формированию устойчивой консервативной структуры – долгоживущего диссипативного бризера.

Продолжены исследования спинового туннелирования в одномолекулярном магнетике Fe₈ методом инстантонов с использованием когерентного состояния группы SU(3) в качестве пробной функции. Показано, что расщепление энергетических уровней возникает из-за присутствия обобщенной фазы Берри в действии, которая приводит к интерференции инстантонных фазовых траекторий.  Показано, что вследствие учета возбуждения квадрупольной динамики изменяется не только расположение точек гашения, но и их количество. Кроме того, эти точки гашения связанны числом ступенек в петле гистерезиса данного одномолекулярного магнетика. Показано, что при учете как дипольных, так и квадрупольных возбуждений в классической энергии, число ступенек в петле гистерезиса равно количеству, полученному из экспериментальных данных.

Предложена конструкция тонкопленочного однопереходного солнечного элемента на основе ZnSnN₂. Результаты численного моделирования показывают, что наибольшая эффективность предложенного дизайна тонкопленочных солнечных элементов при толщине слоя p-ZnSnN₂ в 1100 нм и толщине слоя n-ZnSnN₂ в 1320 нм может достигать 24.56%, при этом напряженность холостого хода  составит 1.69 В, а плотность тока короткого замыкания – 36.4 мA/.

Продолжены исследования негейзенберговского ферромагнетика со значением спина S=1 с обменной анизотропией при наличии фононной модуляции спин-квадрупольных волн методом обобщенных когерентных состояний группы SU(3). Получена система уравнений для описания связанной нелинейной спин-квадрупольной и звуковой волн и получено ее решение. Показано, что наличие механизма магнитоупругих взаимодействий может привести к обмену энергией между фононной и спин-квадрупольной подсистемами.

Проведено моделирование процесса передачи сигнала между кутритами. Показана возможность передачи сигнала в виде уединенных волн – солитонов, представляющих собой связанные возбужденные состояния с внутренней динамикой в трехуровневых системах.

Методами численного моделирования проведено исследование процессов Т-симметрии суперсимметричной (2+1)-мерной нелинейной сигма-модели. Получены модели, описывающие формирование топологических вихрей при взаимодействии локализованных (топологических) возмущений, движущихся вдоль плоскости доменных границ и волн деформаций. При столкновении топологических вихрей с определенными скоростями движения происходит процесс их распада на локализованные возмущения. В проведенных экспериментах было показано, что при моделировании конечного состояния данной модели в обращенном времени () – восстанавливается ее начальное состояние. Также проведены эксперименты для эволюционных моделей лобовых столкновений и поэтапной аннигиляции топологических вихрей с применением операции обращения времени (). Получены модели, описывающие процесс объединения волн излучений и полного формирования исходного состояния взаимодействующих топологических вихрей.

Таким образом, полностью подтверждено свойство Т-инвариантности процессов столкновения квазичастиц в обращенном времени в рамках n-поля. Полученные результаты независимо от вариаци параметров системы взаимодействующих квазичастиц и доменных стенок во всех случаях подвтерждают свойство Т-инвариантности уравнений исследуемого n-поля.

Проведено исследование траектории точек гильбертово комплексного проективного пространства систем обобщенных спиновых когерентных состояний в фазовом пространстве (сфере Блоха). На основе представления Майораны получены параметры 2j единичных изоспиновых векторов для групп SU(N) (j=1/2 и j=1). Исследованы представление Майораны матриц обобщенных когерентных состояний, в том числе полностью воспроизведены процессы построения ОКС для спинов 1 группы SU(2) и SU(3).

3). Исследования в области систем джозефсоновских переходов (в.н.с. И.Р.Рахмонов).

Краткие сведения о выполненной работе.
Исследована вольт-амперная характеристика системы длинных джозефсоновских переходов с учетом индуктивной и емкостной связи. Представлены зависимость средней производной разности фаз по времени от величины базового тока и пространственно-временные зависимости разности фаз и магнитного поля в каждом переходе. Показана возможность ветвления вольт-амперной характеристики в области ступеньки нулевого поля, связанная с различным числом флюксонов в отдельных джозефсоновских переходах. Проведено сравнение вольт-амперной характеристики системы джозефсоновских переходов со случаем одного перехода и показано, что обнаруженное ветвление обусловлено наличием связи между переходами. Рассчитана интенсивность электромагнитного излучения, обусловленная движением флюксонов и исследовано влияние связи между переходами на мощность излучения.

Представлены результаты численного рассчета фазовой динамики СКВИДа (Superconducting Quantum Interference Devices) с топологически тривиальнымы и нетривиальными барьерами. При вычислениях учитывался двухкомпонентный сверхпроводящий ток, т.е ток куперовских пар (2пи периодичный) и ток майорановских фермионов (4пи периодичный). Представлена зависимость тока возврата от магнитного поля. Продемонстрировано, что в случае  двухкомпонентного сверхпроводящего тока периодичность зависимости тока возврата от магнитного поля смещается на величину определяющее отношение токов куперовских пар и майорановских фермионов.

Рассчитан джозефсоновский ток между двумя одномерными нанопроволоками  с индуцированной сверхпроводящего s-волнового спаривания и разделенное диэлектрическим барьером при наличии спин-орбитального взаимодействие и зеемановского поля. Сформулирована обобщенный метод для вычисления энергии андреевского состояния, что позволяет получить аналитическое выражения для энергии этих состояний при некоторых асимптотических случаев. Найдено, что при отсутствии  магнитного поля энергетическая щель между андреевских состояний уменьшается с увеличением константы спинорбитального взаимодействия Рашбы. При отсутствии спин-орбитального взаимодействие Рашбы, андреевские состояния зависят от магнитного поля и демонстрирует осциллирующий характер с изменением магнитного поля, приводящий к магнитно-джозефсоновскому эффекту. Также показаны аналитические выражения для постоянного джозефсоновского тока. Также исследована динамики джозефсоновского перехода с учетом спин-орбитального взаимодействия. Исследовалась динамика структуры типа сверхпроводник-ферромагнетик-сверхпроводник, которая в литературе также называется Фи-0 переходом. Основное направление исследования были связаны с выявлением возможности полного переворота магнитного момента в Фи-0 переходе различными способами. Показано возможность переворота магнитного момента посредством прямоугольного импульса тока. Исследована динамика сверхпроводящего квантового интерферометра содержащего одного Фи-0 перехода. Показано, что в таком квантовом интерферометре, есть возможность реализовать полный переворот магнитного момента под воздействием импульса внешнего магнитного поля. Предложены различные протоколы для полного переворота магнитного момента с вариацией параметров Фи-0 перехода, параметров пульса электрического тока и параметров магнитной системы. Проанализирована возможность экспериментальной реализации полного переворота магнитного момента.

4). Исследования в области квантово-механических расчетов динамики молекулярного комлпекса (в.н.с. А.Г.Джабаров).

Краткие сведения о выполненной работе.
Выполнены квантовомеханические вычисления получения устойчивой конфигурации молекулярного комплекса, составленного из молекул диоксида кремния (SiO2) и этиленола (C2H3OH). Рассчитываемый комплекс предполагалось использовать в качестве модели ловушечного центра электронов в полиэтилене, наполненного диоксидом кремния. Рассчитаны равновесная геометрия, энергетические состояния, энергия связи, ИК, КР, УФ/Вид спектры нейтрального и заряженного молекулярного комплекса. Анализ полученных результатов привел к следующим заключениям:

• все рассчитанные молекулярные структуры имеют энергетический минимум – являются стабильными образованиями;
• добавление в молекулярный комплекс 1 лишнего электрона приводит к изменению структуры комплекса (изменению валентных углов, длин валентных связей);
• заряжение комплекса приводит к изменению распределения плотности энергии и заряда;
• полная энергия понижается (почти на 2.5 эВ, что делает заряженное состояние более выгодным), дипольный момент увеличивается;
• небольшая энергия связи (0.25 эВ) молекулярного комплекса при образовании водородной связи между гидроксильной группой C14H27OH и одним из кислородов диоксида кремния значительно возрастает при присоединении лишнего электрона (более, чем на 2.5 эВ, длина валентной связи O–H возрастает примерно на 5%);
• орбиталь, заполненная лишним электроном, в основном локализована на диоксиде кремния, хотя небольшой вклад вносят состояния ближайших атомов C14H27OH к SiO2.
• Увеличение дипольного момента и усиление водородной связи при присоединении комплексом лишнего электрона, приводит к двум заметным эффектам, во-первых, увеличению интенсивности полос поглощения ИК излучения, связанных с колебаниями групп, участвующих в образовании водородной связи, во-вторых, к их значительному сдвигу в длинноволновую область. Это хорошо видно на примере полосы 3681 см-1, которая в заряженном комплексе сдвигается до полосы 3140 см-1, значительно возрастая по интенсивности. УФ/Вид спектры после присоединения лишнего электрона сдвигаются в длинноволновую сторону. Первый рассчитанный оптический переход с длинноволновой стороны соответствует энергии 3.5 эВ (4 эВ в нейтральном комплексе). Энергия связи заряженного комплекса равна 2.5369+0.2504=2.7873 эВ. Энергия активации гомозаряда, захваченного на глубокие ловушки в образцах из композита полиэтилен – диоксид кремния (аэросил) больше 1 и меньше 2 эВ. Принимая во внимание активационный механизм релаксации гомозаряда, а так же факт, что гомозаряд высвобождается из ловушек при нагревании образцов при температурах, соответствующих размораживанию α_c-молекулярной подвижности, процесс релаксации гомозаряда, преимущественно, происходит в результате разрушения молекулярных комплексов вследствие интенсивного теплового движения макромолекул.

Результаты расчётов отражены в докладе «О природе глубоких ловушек в электретах из наполненного диоксидом кремния полиэтилена» на VI Международной конференции «Современные проблемы физики». ФТИ, Душанбе, 2018.

Проведены спектроскопические исследования стекол различного состава (Bi₂O₃ – Na₂B₄O₇), полученных при различных технологических факторах. Измерены спектры пропускания (при нормальном падения пучка света) и отражения (при различных углах падения пучка света) от ближней УФ области до ближней ИК области (194 – 1006 нм). Рассчитаны зависимости показателя поглощения k_l и коэффициента отражения R от длины волны. Исследования проводились на образцах, которые отличались по составу и технологическими особенностями их изготовления. С помощью фурье-спектрофотометра Shimadzu получены ИК-спектры для некоторых образцов стёкол состава (хBi₂O₃ – (х-1)Na₂B₄O₇ ). Спектры получены для следующих интервалов волновых чисел: 350-4000 (обзорный спектр); 350-1200; 1200-2500 и 2500-4000 см^-1.

5). Исследования в области теории функционала плотности (в.н.с. Ф.Шокир, в.н.с. К.С.Мехрдод, Х.Р.Рахмонов, инженер Аминджонов Ш.Ю.).

Краткие сведения о выполненной работе.
Одним из основных научных направлений нашей работы являются теоретические расчеты, в том число моделирования в рамках теории функционала плотности (ТФП) для исследования геометрических и электронных структур различных видов функциональных материалов. Эти научные работы проводятся в основном в сотрудничестве с исследовательской группой профессора Томоюки Ямамото, лаборатории университета Васэда (Токио) и других зарубежных научных институтов.

Большинство современных люминофорных материалов для промышленного применения синтезируются с использованием легирующей технологии, т.е. добавления микроэлемента в качестве излучающего центра в матричные материалы. Легирование редкоземельных и 3d переходных элементов может производить эффективные материалы люминофора. Для красных излучающих люминофоров используются редкоземельные ионы, такие как Pr и Eu. С точки зрения стабильности для долгосрочности вышеуказанные ионы выбраны для матричных материалов. Среди таких легированных люминофоров достаточно эффективным является редкоземельное легирование в функциональные материалы, таких как оксиды и фториды. Однако из-за ограничения редкоземельных элементов материалы без редкоземельного свободного люминофора последние время стали очень требовательными, и поэтому такие материалы широко исследованы.

Для создания новых люминофоров, легированных ионами Mn, необходимо знать локальную среду легированных ионов Mn в атомном масштабе и электронные структуры Mn-легированных материалов. Для повышения эффективности люминесценции легированных Mn люминофоров также очень важно исследовать электронные структуры материалов. Для этой цели весьма полезны расчеты первых принципов в рамках теории функционала плотности. Различные виды оксидов со структурами перовскита, легированных ионами Mn, иссследуется с помощью первых принципов расчетов в рамках ТФП. Некоторые полученные результаты сравнивались с экспериментальными данными, такими как рентгеновская дифракция, спектры диффузного отражения, спектры фотолюминесценции и др., исследовательской группы профессора Т.Ямамото, университета Васэда.