Главные научные результаты, полученные учеными НИИ ЯП БГУ в 2017 г. в области фундаментальных научных исследований

  • Построена теория перестраиваемой по частоте генерации квазичеренковского излучения в графене и графен-полимерных слоистых структурах, позволяющая создавать наноразмерные источники электромагнитного излучения в терагерцовом диапазоне.
  • Установлена зависимость относительного среднеквадратичного отклонения времени развития неустойчивости в квазичеренковских генераторах от числа частиц в пучке в условиях предварительной модуляции электронного потока.
  • Обоснован и совместно с Институтом Физики НАН Беларуси обнаружен эффект задержки прохождения импульса СВЧ излучения в искусственно созданной одномерной пространственно-периодической структуре (фотонный кристалл).
  • Определены спектр и угловая зависимости параметрического излучения релятивистcкой частицы в области частот выше границы первой полосы пропускания в двумерных фотонных кристаллах. Показано, что интенсивность излучения существенно увеличивается по сравнению с интенсивностью излучения в первой полосе пропускания параметрического излучения.
  • Построена теория каналирования в кристаллах, предсказывающая ряд новых особенностей движения положительно заряженных релятивистcких частиц в кристаллах в условиях использования последних для управления пучками Большого адронного коллайдера и создания источников интенсивного гамма-излучения.
  • Впервые проведено моделирование развития высокоэнергетических электромагнитных ливней в протяженных ориентированных кристаллах вольфрамата свинца, ускоренных эффектами, индуцированными сильным полем атомных цепочек. Для этого сначала по формулам Байера-Каткова в тонком кристалле рассчитаны характеристики рождения пар и гамма-излучения электронами и позитронами. Рассчитаны коэффициенты масштабирования соответствующих сечений Бете-Гейтлера. Эти коэффициенты будут включены в программный комплекс GEANT4 для моделирования развития электромагнитного ливня в 23-сантиветровом кристалле калориметра CMS. Показано значительное влияние кристаллической структуры на процессы регистрации e± и γ-квантов в существующих однородных электромагнитных калориметрах и гамма-телескопах, а также широкие возможности улучшения функционирования подобных устройств в будущем.
  • Рассмотрено рождение материи в альтернативных безинфляционных космологических моделях, в которых масштабный фактор растет линейно со временем. Вычислен первоначальный спектр неоднородностей плотности родившихся скалярных частиц. Показано, что если потребовать универсальность спектра, т.е. чтобы среднюю плотность энергии и характерную величину неоднородности плотности энергии можно было задавать произвольно, то форма спектра оказывается фиксированной. Спектр близок по форме к плоскому спектру Хариссона-Зельдовича, но с подавлением низкочастотных мод.
  • Построена теория магнитных и квазимагнитных резонансов, позволяющая провести анализ динамики спина в экспериментах по поиску электрических дипольных моментов (ЭДМ) частиц и ядер в накопительных кольцах. Получены формулы, описывающие эволюцию компонент вектора поляризации для произвольной начальной поляризации.  Рассчитана динамика спина при частотах, далеких от резонанса. Выполнен общий квантово-механический анализ проблемы и установлено полное соответствие между квантово-механическим и классическим подходами; исследованы отличительные черты квазимагнитных резонансов в ЭДМ-экспериментах, проводимых в накопительных кольцах. Впервые определено влияние наличия резонансной компоненты, параллельной основному магнитному полю, на величину резонансного эффекта.
  • На базе преобразований Лоренца теоретически описаны электроны в закрученных (вихревых) состояниях, когда они обладают собственным орбитальным угловым моментом. Выведено динамическое уравнение движения таких электронов во внешних электрическом и магнитном полях. Разработаны методы извлечения пучков электронов в вихревых состояниях и управления такими пучками.
  • Получено единое описание в гравитации для пространств с горизонтом и чёрных дыр с метрикой Шварцшильда на всех масштабах энергий, учитывающее квантовый аспект, позволяющее найти температуру и энтропию указанных объектов. Предложены новые подходы к решению известных проблем (в частности, к проблеме Хокинга).
  • Проведено моделирование наблюдаемых величин в процессе двухфотонного рождения мюонной пары генераторами FEWZ и POWHEG в условиях эксперимента CMS на Большом адронном коллайдере. Показано, что дифференциальные сечения процесса рождения лептонной пары двухфотонным механизмом и механизмом Дрелла-Яна соответствуют отношению σγγ=0.6 σDY при значении инвариантной массы M лептонной пары порядка 5 ТэВ, в то время как при низких значениях M отличие незначительно. Показано, предсказания программ POWHEG и FEWZ находятся в хорошем согласии друг с другом за исключения конца спектра.
  • исследовано дисперсионное поведение различных типов мод, поддерживаемых слоистой графеновой сэндвич-структурой. Анализ показал, что в такой системе существуют симметричные, асимметричные и гибридные моды. Дисперсия симметричной моды зависит от эффективного химического потенциала, равного сумме химических потенциалов отдельных слоев. Дисперсия асимметричных мод демонстрирует сильную зависимость от расстояния между слоями. Сближая слои до расстояния ~ 10 нм, можно резко уменьшить фазовую скорость волны до значения характерной скорости Ферми электронов графена. Предложено использовать симметричные моды для генерации излучения на внешнем электронном пучке. В этом случае, изменяя количество слоев или химический потенциал отдельного слоя можно добиться как дискретной, так и плавной перестройки частоты излучения. В свою очередь, асимметричную моду можно использовать для генерации на токах собственных π электронов графена. В этом случае перестройка частоты достигается изменением расстояния между слоями.
  • Проведено квантово-механическое моделирование влияния краевых эффектов на межзонные переходы графеновых нанолент, что позволит повысить точность расчёта проводимости нанолент и их электромагнитного отклика в широком диапазоне частот от терагерцового до видимого.
  • Представлена первая реализация 3D-углеродной «черной оптической дыры» на основе углерода - трехмерного фотонного кристалла с поглощением на ТГц частотах (углеродные сетчатые периодические структуры с размером пор 100-300 микрон). Этот эффект обусловлен резонансным поведением сетчатых пенообразных материалов в диапазонах частот ТГц-ИК.
  • Экспериментально зарегистрирован эффект усиления ближнего поля одностенными углеродными нанотрубками в суспензиях.
  • Разработана методика синтеза электропроводящего полимера полианилина. Разработана методика синтеза нанокомпозитов на основе полистирола. Разработана методика получения нанокомпозитов на основе фенолоформальдегидной смолы на стадии синтеза. Изготовлена прессформа для получения образцов. Отработана методика получения филамента для 3D печати из АБС и PLA пластика.
  • исследована радиационная стойкость полимерных нанокомпозитов, перспективных для использования в качестве широкополосных СВЧ поглотителей. исследовано изменение электромагнитных параметров нанокомпозитов на базе полимеров PVAc и SAC с наполнителем из многостенных углеродных нанотрубок после гамма-облучения дозой 90 кГр от источника Со-60.
  • Впервые предложен технологический подход к синтезу наногетероструктуры Co/Pd(Co/Pt)-TiO2//Si, Co/Pd(Co/Pt)-Al2O3//Si, характеризующиеся высокой перпендикулярной магнитной анизотропией (поле анизотропии – до 3 500 Э, квадратичность петли гистерезиса – до 0,99) и коэрцитивной силой (до 2 400 Э).
  • Совместно с Институтом физики НАНБ, ИФОХ НАН Б и БГУИР проведены расчеты нанокластеров SiC, моделирующих поверхность (111) карбида кремния со структурой вюрцита и цинковой обманки и содержащего дефекты вакансионного типа - VSi и (VSi-VC) центр. Проведено моделирование их электронной и спиновой структуры методом квантовой химии PM6. Установлено, что в запрещенной зоне изучаемых кластеров вакансионный дефект и поверхность формирует состояния, локализованные у края зоны проводимости и валентной зоны. Показано, что независимо от политипа SiC происходит заметная локализация спиновой плотности на поверхностных атомах Si. Аналогичное поведение наблюдается для изотропных констант сверхтонкого взаимодействия. Показано, что при синтезе карбида кремния необходимо учитывать возможное влияние поверхностных вакансий на электронные и спиновые характеристики поверхности (111).
  • Методами квантовой химии DFT/B3LYP/3-21G и PM3 впервые показано, что в спектрах комбинационного рассеяния графеновой наноленты формирование полосы в области 32017,554 см-1 можно рассматривать как характерный показатель присутствия атомов водорода на краю наноленты. Теоретически было показано, что в спектрах ИК и КР УНТ функционализированных эпокси-мономерами, формируются интенсивные пики. При этом полосы, образующиеся в области от 2724,6422 до 2549,4518 см-1 характеризуют присутствие мономера OCH2CH2OH. Эта специфика спектров должна учитываться при разработке химических и биологических наносенсоров на основе аналогичных УНТ. Полученные результаты по спектрам комбинационного рассеяния необходимо учитывать при конструировании наносенсоров на основе изучаемых структур. Результаты могут быть использованы при конструировании биологических наносенсоров для медицинских целей.
  • Исследован перенос зарядов в рабочем объеме цилиндрической ионизационной камеры деления (ИКД), работающей в токовом режиме. Источник для уравнений непрерывности рассчитан с учетом корректного распределения начальной плотности ионизации в активном объеме камеры и разброса фрагментов деления по их заряду, массе и энергии. Рассчитаны чувствительность и выходной ток камеры при работе ее в стационарном режиме. Расчеты проведены для двух случаев: 1) миниатюрные камеры (характерный размер камеры много меньше длины пробега основных фрагментов деления) 2) “большие” камеры. Показано что часто применяемое на практике использование приближения постоянства плотности генерации пар ионов осколком деления вдоль его трека для «больших» камер приводит к существенным ошибкам в оценке плотностей ионов и электронов и электрических полей внутри ИКД, при этом чувствительности могут отличаться на порядок.
  • Исследованы процессы формирования ансамбля сцинтиллирующих центров в кристаллах в пикосекундном диапазоне времен, активированных ионами церия. Установлено улучшение сцинтилляционных свойств кристаллов ГАГГ:Ce, при операционной температуре полупроводниковых фотоумножителей.
  • Исследованы эффекты повреждения протонами с энергией  24ГэВ и 150МэВ кристаллических материалов со структурой граната: YAP, YAGG, GAGG. Установлено, что возникающие при облучении центры окраски и их кластеры обуславливают изменение оптического поглощения в спектральной области короче 400 нм. Это обуславливает минимальное изменение наведенного поглощения в спектральной области сцинтилляций этих материалов в диапазоне 500-600 нм. Установлено, что повреждение пластических сцинтилляционных материалов под действием протонов 150 МэВ обуславливает изменение оптического пропускания в широкой спектральной области до 750 нм. Это делает малопригодным возможность улучшения радиационной стойкости пластических сцинтилляторов путем подбора органических красителей, излучающих в желтой и оранжевой областях спектра.
  • Измерены угловые зависимости отклика прототипа калориметра COMET. Предложен алгоритм реконструкции событий, который позволит получить оптимальное сочетание энергетического, пространственного и временного разрешений калориметра.
  • Исследованы процессы, влияющие на светосбор фотонов сцинтилляций в кристалле при совместной работе с твердотельными фотоумножителями. Разработан способ увеличения световыхода посредством применения гетерогенных светоотражающих покрытий кристаллов – зеркального и диффузного.
  • Дано объяснение избыточной деградации пластикового сцинтиллятора адронного калориметра Большого адронного коллайдера – в ходе проектирования не была сделана поправка на влияние скорости набора дозы. Показано, что с учётом этого влияния наблюдаемая деградация согласуется с прогнозом. Учёт зависимости радиационной деградации сцинтилляторов от скорости набора дозы позволит точнее прогнозировать радиационное старение датчиков систем мониторинга загрязнения окружающей среды.