Наука и образование

Ученые НИЦ «Курчатовский институт» - ПИЯФ ставят амбициозные задачи по изучению твердых тел с примесями

Ученые НИЦ «Курчатовский институт» - ПИЯФ планируют новую большую работу по исследованию твёрдых тел, в частности, по прецизионным расчётам свойств твёрдых тел с примесями. С этой целью в Лаборатории квантовой химии (ЛКХ) Отделения перспективных разработок (ОПР) Института создаётся новая группа под руководством д.ф.-м.н. О.Ю. Андреева.

Группа специализируется на исследовании элементарных процессов в атомных системах строго в рамках квантовой электродинамики (КЭД). Областью научных интересов группы является изучение свойств ионов с небольшим числом электронов (как тяжёлых, так и лёгких ионов) таких, как расчёт уровней энергии многозарядных ионов, вероятностей переходов, сечений захвата электронов и рассеяния электронов на таких ионах.

Экспериментальное исследование многозарядных ионов проводится на установках EBIT (Electron beam ion trap) и на ускорителях многозарядных ионах (GSI, Германия; IMP, Ланьчжоу, Китай). В последнее время группа активно сотрудничает с IMP, группой проф. D. Yu. В частности, члены группы имеют гранты PIFI Китайской академии наук для визитов в IMP.

Планируется тесное сотрудничество группы Андреева О.Ю. с лабораторией мезонной физики НИЦ «Курчатовский институт» - ПИЯФ (заведующий С.И. Воробьев), где μSR-метод применяется для исследований магнитных свойств феррожидкостей и твёрдых тел. Метод заключается в экспериментальном изучении распада положительно заряженных мюонов, остановившихся в кристаллах или жидкостях. Такой эксперимент позволяет определить магнитную структуру исследуемых образцов, так как она определяет ориентацию спина остановившегося мюона, которая исследуется посредством измерения углового распределения позитронов от распада мюона. При столкновении пучка мюонов с различными материалами происходит захват мюонов в кристаллическую решётку. Этот процесс можно рассматривать как образование короткоживущих мюонных примесей в соответствующих кристаллах.

В Лаборатории квантовой химии разработан оригинальный теоретический метод для исследования молекул и твёрдых тел – комбинированная технология для решения задач с тяжёлыми d- и f-элементами [A.V. Titov et al., Int. J. Quant. Chem., 71, 359-401 (1999); D.A. Maltsev et al., Phys. Rev. B 103, 205105 (2021)]. Для многих направлений изучения молекул и твёрдых тел этот метод определяет мировой уровень. Для ряда задач, таких как высокоточные расчёты свойств молекул и твёрдых тел, содержащих лантаноиды или актиноиды, указанный метод уже сейчас является уникальным, не имеющим аналогов по уровню точности.

В связи с поставленной задачей, надо отметить, что в лаборатории уже исследовался кристалл ксенотима [Yu.V. Lomachuk et al., Phys. Chem. Chem. Phys. 22, 17922 (2020)]. В этой работе представлено обобщение указанного метода для расчёта кристаллической структуры и результаты расчёта свойств чистого кристалла ксенотима и кристалла с примесями, где атом Y замещался атомами Th и U. Наличие примесей Th и U в ксенотиме определяет его магнитные свойства, которые могут изучаться на μSR-установке, расположенной на выходе мюонного канала СЦ-1000 НИЦ «Курчатовский институт» - ПИЯФ.

Задачей на ближайшее время является дальнейшее развитие теоретического метода и на его основе проведение расчёта свойств кристалла ксенотима с присутствием мюона в одной из кристаллических ячеек. Также планируется совместно с китайскими коллегами изучить возможность проведения экспериментов по исследованию свойств твёрдых тел на ускорителе ионов IMP.

Андреев О.Ю. – профессор СПбГУ по кафедре квантовой механике, работает в ЛКХ в должности ведущего научного сотрудника.