Про професора В'ячеслава Миколайовича Горшкова з кафедри загальної фізики і фізики твердого тіла наша газета вперше написала у 2016 році. Тоді він став лідером нашого університету з міжнародного визнання публікацій. Згодом, у 2017 і 2018 роках, були представлені результати його наукових досліджень, що увійшли до переліку кращих робіт року престижного фізичного журналу "Journal of Applied Physics". Звісно, кожного разу йшлося про публікації світового рівня. І цього разу розповідь йтиме про нові непересічні результати, отримані проф. В.М. Горшковим, такі непересічні, що й опублікувати їх було непросто.
Але спочатку кілька слів про напрям досліджень, у якому отримано ці результати, – комп'ютерне моделювання фізичних процесів у наносистемах. Цей напрям нині переживає період бурхливого розвитку, там проводять дослідження і отримують результати, про які ще років тридцять тому ніхто і не мріяв. Адже мова йде про вивчення поведінки систем, що складаються з мільйонів атомів, для моделювання руху яких дуже довго не вистачало потужності комп'ютерів. Розрахунки з використанням спрощених моделей не давали можливості пояснити найбільш цікаві фізичні явища, які досліджували експериментатори.
Усе кардинально змінилося на поч атку ХХІ сторіччя. Розвиток технологій в електроніці привів до того, що виникла необхідність точного знання еволюції нанокластерів, які складаються з мільйонів атомів. Крім того, суттєво зросла потужність обчислювальної техніки, і тепер можливість розв'язання відповідних задач значною мірою визначають фахівці, які створюють математичні моделі тих чи інших процесів і алгоритми їх розрахунку.
Професор В.М. Горшков працює разом з фахівцями з "Центру передових технологій в матеріалознавстві" при Clarkson University (м. Потсдам, штат Нью-Йорк) згідно з угодою про співпрацю між КПІ ім. Ігоря Сікорського і Clarkson University. Важливо відмітити, що ці дослідження мають прикладне значення і негайно знаходять застосування при розробці нанотехнологій.
Розповідає проф. В.М. Горшков:
Деякий час ми займалися математичним моделюванням росту наночастинок. Ці результати були використані при розробці методів керованого синтезу наночастинок різної форми, яку можна було змінювати в широкому діапазоні, і отримувати бажані фізичні властивості частинок.
У 2017 році ми розпочали дослідження оптимальних методів створення періодично модульованих квазіодновимірних структур – унікальних за фізико-оптичними властивостями елементів мікросхем. Зокрема – фізики розпаду нанодротів на впорядковані ланцюжки нанокластерів, що можуть використовуватись як хвилеводи. Дослідження були успішними, про що свідчать три статті в авторитетних наукових журналах (Advanced Theory and Simulations, липень 2019; Materials Today, листопад 2019; Crystal Engineering Communications, березень 2020), написаних спільно з аспірантом Володимиром Терещуком.
Тепер коротко розповім про суть отриманих результатів.
При нагріванні нанодротів відбувається збурення їхньої поверхні (див. малюнок). Причому це явище спостерігається при температурах, значно нижчих за температури плавлення. Теорія цього явища (1965 р.) має багато спільного з класичною теорією Релея нестійкості струменів рідини. Головні її твердження: а) значні періодичні модуляції поверхні можуть спонтанно виникати тільки з довжиною хвиль, які перевищують у 6,3 разу початковий радіус нанодроту; б) на кінцевій стадії розпаду домінують хвилі довжиною 9 радіусів. Приблизно такі показники дійсно були отримані у багатьох випадках. Але також часто спостерігались наддовгі збурення з періодом у 25-30 радіусів і, що зовсім дивно, субкороткі – довжиною 4,5 радіуса (тобто, значно нижче встановленого порогу!). Попри це, фізики-експериментатори закривали очі на такі невідповідності з теорією і писали, що їхні дані знаходяться "in good agreement with theoretical predictions". Ми з моїм молодим колегою після тривалих досліджень виявили фактори, якими обумовлені згадані супервідхилення від положень теорії, що давно вважається класичною. Знання цих факторів вкрай важливе при вирішенні проблем запобігання розпаду нанодротів при нагріванні їх струмом у мікросхемах.
Тепер ви можете уявити, який спротив рецензентів можна було очікувати при відгуках на наші роботи. Першу публікацію взагалі відправили назад без можливості повторного представлення. Але ми також були "зубасті" і знайшли стільки фізичних недоречностей у коментарях рецензентів, що, попри застереження редакції, вдруге подали статтю в журнал Advanced Theory and Simulations. Через тиждень редакція сповістила, що стаття прийнята до друку без необхідності внесення будь-яких коректив. Понад те, згодом результати роботи схвально сприйняли наші закордонні колеги (наприклад, J. W. Evans, Iowa State University; Linwei Yu, Nanjing University; Harris Wong, Louisiana State University). Як наслідок, з'явились нові задачі, вирішення яких ми знайшли і готуємо чергову публікацію.
Мова знову йтиме про розпад нанодротів. В експериментах, які виконувалися в Hong Kong University, золотий нанодріт опромінювався електронним пучком. Через 10 хвилин з'являлися значні модуляції радіуса, і далі дріт не розпадався на нанокраплі, а зберігав свою форму, незважаючи на подальше опромінення. При цьому довжина хвиль збурень була нижчою "класичного порогу" (4,5 радіуса). А при простому підігріві той самий нанодріт звично розпадався на фрагменти довжиною в 10 радіусів! Нам вдалося знайти причини цих особливостей (на малюнку наведено результати реальних і численних експериментів). Зауважу, що раніше аналогічні короткохвильові стабільні модуляції (за відсутності зовнішнього впливу) ми відкрили при вивченні методів придушення нестійкостей вольфрамових нанодротів.
За останні місяці ми встигли виконати моделювання процесів зовсім інших масштабів. Разом з колегами з Лос-Аламоса, Нью-Йорка та Канади виконали дослідження, що стосуються так званої "темної матерії", присутністю якої нині пояснюють низку особливостей руху галактичних об'єктів. Є гіпотеза, що темна матерія складається з частинок – аксіонів різних типів. Ми розглядали проблему фіксації двокомпонентності аксіонної матерії, розробили методи розв'язку системи специфічних нелінійних рівнянь Шредінгера чисельними методами і знайшли умови, за яких гіпотезу про багатокомпонентність аксіонної системи можна перевірити експериментально.
Насамкінець, на злобу дня, зауважу, що і коронавірус, і карантин ніяк не впливають на наші дослідження. Адже комп'ютер, на якому відбувається моделювання, встановлено в Clarkson University (м. Потсдам), керування ним відбувається дистанційно. Думаю, це ще раз демонструє великі перспективи досліджень у галузі комп'ютерного моделювання фізичних процесів.