Вычислительная физика исправляет результаты классической теории

О профессоре Вячеславе Николаевиче Горшкове с кафедры общей физики и физики твердого тела наша газета впервые написала в 2016 году. Тогда он стал лидером нашего университета по международному признанию публикаций. Впоследствии, в 2017 и 2018 годах, были представлены результаты его научных исследований, вошедших в перечень лучших работ года престижного физического журнала "Journal of Applied Physics".Конечно, каждый раз речь шла о публикации мирового уровня. И на этот раз рассказ пойдет о новых выдающихся результатах, полученных проф. В.Н. Горшковым, таких выдающихся, что и опубликовать их было непросто.

Но сначала несколько слов о направлении исследований, в котором получено эти результаты, - компьютерное моделирование физических процессов в наносистемах. Это направление сейчас переживает период бурного развития, там проводят исследования и получают результаты, о которых еще лет тридцать назад никто и не мечтал. Ведь речь идет об изучении поведения систем, состоящих из миллионов атомов, для моделирования движения которых очень долго не хватало мощности компьютеров. Расчеты с использованием упрощенных моделей не позволяли объяснить наиболее интересные физические явления, которые исследовали экспериментаторы.

Все кардинально изменилось в начале XXI века. Развитие технологий в электронике привело к тому, что возникла необходимость точного знания эволюции нанокластеров, состоящих из миллионов атомов. Кроме того, существенно возросла мощность вычислительной техники, и теперь решение соответствующих задач в значительной степени определяют специалисты, которые создают математические модели тех или иных процессов и алгоритмы их расчета.

Профессор В.Н. Горшков работает вместе со специалистами из "Центра передовых технологий в материаловедении» при Clarkson University (г. Потсдам, штат Нью-Йорк) по соглашению о сотрудничестве между КПИ им. Игоря Сикорского и Clarkson University. Важно отметить, что эти исследования имеют прикладное значение и немедленно находят применение при разработке нанотехнологий.

Рассказывает проф. В.Н. Горшков:

Некоторое время мы занимались математическим моделированием роста наночастиц. Эти результаты были использованы при разработке методов управляемого синтеза наночастиц различной формы, которую можно было менять в широком диапазоне, и получать желаемые физические свойства частиц.

В 2017 году мы начали исследования оптимальных методов создания периодически модулированных квазиодномерных структур - уникальных по физико-оптическим свойствам элементов микросхем. В частности - физики распада нанопроводов на упорядоченные цепочки нанокластеров, которые могут использоваться как волноводы. Исследования были успешными, о чем свидетельствуют три статьи в авторитетных научных журналах (Advanced Theory and Simulations, июль 2019; Materials Today, ноябрь 2019; Crystal Engineering Communications, март 2020), написанных совместно с аспирантом Владимиром Терещуком.

Теперь коротко расскажу о сути полученных результатов.

При нагревании нанопроводов происходит возмущение их поверхности (см. рисунок). Причем это явление наблюдается при температурах, значительно ниже температуры плавления. Теория этого явления (1965 г.) имеет много общего с классической теорией Рэлея неустойчивости струй жидкости. Главные ее утверждения: а) значительные периодические модуляции поверхности могут спонтанно возникать только с длиной волн, которые превышают в 6,3 раза начальный радиус нанопровода; б) на конечной стадии распада доминируют волны длиной 9 радиусов. Примерно такие показатели действительно были получены во многих случаях. Но также часто наблюдались сверхдлинные возмущения с периодом в 25-30 радиусов и, что совсем удивительно, субкраткие - длиной 4,5 радиуса (то есть, значительно ниже установленного порога!). Несмотря на это, физики-экспериментаторы закрывали глаза на такие несоответствия теории и писали, что их данные находятся "in good agreement with theoretical predictions". Мы с моим молодым коллегой после длительных исследований выявили факторы, которыми обусловлены упомянутые суперотклонения от положений теории, что давно считается классической. Знание этих факторов крайне важно при решении проблем предотвращения распада нанопроводов при нагревании их током в микросхемах.

Теперь вы можете представить, какое сопротивление рецензентов можно было ожидать при отзывах на наши работы. Первую публикацию вообще отправили обратно без возможности повторного представления. Но мы также были "зубастые" и нашли столько физических несуразностей в комментариях рецензентов, что, несмотря на предостережения редакции, повторно подали статью в журнал Advanced Theory and Simulations. Через неделю редакция сообщила, что статья принята к печати без необходимости внесения каких-либо корректив. Более того, со временем результаты работы одобрительно восприняли наши зарубежные коллеги (например, J. W. Evans, Iowa State University; Linwei Yu, Nanjing University; Harris Wong, Louisiana State University). Как следствие, появились новые задачи, решение которых мы нашли и готовим очередную публикацию.

Речь снова пойдет о распаде нанопроводов. В экспериментах, которые выполнялись в Hong Kong University, золотой нанопровод облучался электронным пучком. Через 10 минут появлялись значительные модуляции радиуса, и дальше провод не распадался на нанокрапли, а сохранял свою форму, несмотря на дальнейшее облучение. При этом длина волн возмущений была ниже "классического порога" (4,5 радиуса). А при простом подогреве тот же нанопровод привычно распадался на фрагменты длиной в 10 радиусов! Нам удалось найти причины этих особенностей (на рисунке приведены результаты реальных и многочисленных экспериментов). Замечу, что ранее аналогичные коротковолновые стабильные модуляции (при отсутствии внешнего воздействия) мы открыли при изучении методов подавления неустойчивостей вольфрамовых нанопроводов.

За последние месяцы мы успели выполнить моделирование процессов совсем других масштабов. Вместе с коллегами из Лос-Аламоса, Нью-Йорка и Канады выполнили исследования, касающиеся так называемой "темной материи", присутствием которой сейчас объясняют ряд особенностей движения галактических объектов. Есть гипотеза, что темная материя состоит из частиц -аксионов различных типов. Мы рассматривали проблему фиксации двокомпонентности аксионной материи, разработали методы решении системы специфических нелинейных уравнений Шредингера численными методами и нашли условия, при которых гипотезу о многокомпонентной аксионной системе можно проверить экспериментально.

Наконец, на злобу дня, замечу, что и коронавирус, и карантин никак не влияют на наши исследования. Ведь компьютер, на котором происходит моделирование, установлено в Clarkson University (г. Потсдам), управление им происходит дистанционно. Думаю, это еще раз демонстрирует большие перспективы исследований в области компьютерного моделирования физических процессов.