Відділ теоретичної фізики

Відділ теоретичної фізики створено в 1972 р. Засновником відділу і його першим керівником був лауреат Ленінської премії СРСР, д.ф.-м.н., проф. Андрій Федорович Лубченко. З 1979 р. відділом керує чл.-кор. НАН України, лауреат Державної премії УРСР і Премій імені К. Д. Синельникова та С. І. Пекара, д.ф.-м.н., проф. Володимир Йосипович Сугаков.

Лубченко А

А. Ф. Лубченко

В. Й. Сугаков

Метою створення відділу є теоретичний супровід досліджень проблеми взаємодії опромінення з конденсованим середовищем.
Уже з перших років роботи відділу А. Ф. Лубченко застосував нове на той час поняття про квазічастинки «дефектони» до радіаційних явищ. Разом з В. М. Павловичем А. Ф. Лубченко запропонував метод прискорення дифузії домішок в кристалах. На жаль, А. Ф. Лубченко рано пішов з життя.
Під керівництвом В. Й. Сугакова у відділі виконано низку наукових досліджень у широкій області радіаційної фізики твердого тіла, які є піонерськими. Так, В. Й. Сугаков перший застосував методи синергетики до дослідження радіаційних дефектів. В. Й. Сугаков і С. В. Шияновський першими почали вивчати вплив опромінення на рідкі кристали, дослідження і застосування яких у той період лише починалося. Вони зініціювали ці роботи в Інституті фізики НАН України і надрукували перший огляд з радіаційної фізики рідких кристалів (В. О. Ліньов, В. Й. Сугаков, С. В. Шияновський). О. Я. Дзюблик виконав важливі роботи по застосуванню тонких методів ядерної фізики до вивчення процесів у кристалах. І. І. Фіщук плідно використав теоретичні методи дослідження невпорядкованих напівпровідників до пояснення процесів в актуальній прикладній області – фізики полімерів. Нові ефекти в теорії надпровідності кристалів з радіаційними порами та проходження частинок у деформованому кристалі отримав талановитий фізик В. М. Рудько, який, на жаль, помер у молодому віці.

У 1995 р. з відділу виділився відділ теорії ядерних реакторів (ВТЯР) під керівництвом д.ф.-.м.н., проф. В. М. Павловича. У 2016 р. відділи були об’єднані під час оптимізації структури інституту. Основні результати наукової роботи ВТЯР з 1995 по 2016 р. представлено окремо.

Основні напрямки досліджень відділу теоретичної фізики.
Процеси самоорганізації в кристалах при ядерному та електромагнітному опроміненнях. Властивості невпорядкованих систем та наноструктур у зовнішніх полях. Транспорт зарядів у напівпровідникових полімерах. Теорія напівпровідникових детекторів. Атомно-ядерні процеси. Месбауерівська спектроскопія та розсіяння нейтронів кристалами. Теоретичне дослідження питань безпеки ядерних реакторів та ядерно-небезпечних систем у стаціонарних і перехідних режимах. Розрахунки критичності і нейтронних параметрів, створення моделей перехідних процесів, у тому числі аварійних.

Основні наукові досягнення та науково-технічні розробки.
Розвинено квантову теорію дифузії домішок і дефектів у кристалах. Виявлено важливу роль ангармонізму коливань атомів кристалів у процесах дифузії і досліджено квантовий характер дифузійних процесів легких домішок типу водню і дейтерію в металічних кристалах. На основі розвинутої теорії було передбачено ефект прискорення дифузії домішок у напівпровідникових і діелектричних кристалах при опроміненні їх резонансним лазерним світлом (А. Ф. Лубченко, В. М. Павлович). Цей ефект пізніше було підтверджено експериментально (В. М. Павлович, В. І. Сорока, Є. М. Кудрявцев (ФІАН, Москва)).
Побудовано теорію процесів самоорганізації в кристалах та на її основі досліджено низку явищ й отримано нові ефекти в кристалах у зовнішніх полях (В. Й. Сугаков), а саме:
на базі теорії створено нову модель утворення періодичних дисипативних структур – просторових надграток та автоколивань густини дефектів – при ядерному опроміненні кристалів (В. Й. Сугаков);
показано виникнення в бінарних напівпровідниках нестабільності стосовно утворення областей з високою концентрацією антиструктурних дефектів. При умові, що одна з компонент бінарного напівпровідника є компонентою надпровідника, у кристалі виникають надпровідні включення. На підставі цих результатів пояснено виникнення в кристалі InAs, опроміненому альфа-частинками, явища надпровідності (В. В. Михайловський, В. В. Сугаков, О. М. Шевцова), яке експериментально спостерігалось в ІЯД (Г. А. Віхлій, А. Я. Карпенко);
пояснено низку ефектів, спостережуваних У різних лабораторіях при дослідженні випромінювання світла непрямими екситонами в напівпровідниках з подвійними квантовими ямами: появу фрагментованого кільця випромінювання навколо лазерної плями, залежність просторових структур випромінення з квантової ями від характеру неоднорідності опромінення та ін. (В. Й. Сугаков, А. А. Чернюк);
запропоновано генератор імпульсів конденсованих екситонних фаз у подвійних квантових ямах при стаціонарному опроміненні (І. Ю. Голіней, В. В. Михайловський, В. Й. Сугаков).
Виконано розрахунки фізичних властивостей паливовмісних матеріалів 4-го блока ЧАЕС. Запропоновано модель для пояснення деградації паливовмісних матеріалів (І. Ю. Голіней, О. С. Зінець, В. Й. Сугаков, І. І. Фіщук).
Побудовано теорію чутливості сенсорів на основі PIN-діодів для детекторів швидких нейтронів та стріп-детекторів для визначення координат короткопробіжних заряджених частинок. Побудовано теорію відгуку кремнієвих планарних структур на ядерне, високоенергетичне рентгенівське та гамма-опромінення для застосування, насамперед, для діагностики радіаційних полів, що використовуються в ядерній медицині для лікування онкологічних захворювань. Результати можуть бути використані для вибору оптимальних характеристик детекторів і умов опромінення при радіаційній терапії (І. Є. Анохін, О. С. Зінець).
Досліджено вплив зовнішніх сталих та змінних магнітних полів на форму месбауерівських спектрів у м’яких феромагнетиках. Зокрема, передбачено ефект квазізееманівського розщеплення квазіенергетичних рівнів ядер та відповідно месбауерівських ліній поглинання (О. Я. Дзюблик, В. Ю. Співак). Цей ефект згодом спостерігався цими авторами разом з колегами Казанського університету (Росія).
Проведено моделювання методами молекулярної динаміки когерентного прискорення атомів при фазовому переході на поверхні кристала з урахуванням впливу теплових коливань кристалічної гратки. Досліджено обмеження енергії прискорених атомів унаслідок ефектів фокусування та температури (І. Ю. Голіней, В. В. Михайловський, В. Й. Сугаков).
Запропоновано новий метод поляризації спінів електронів і ядер при тунелюванні електронів через подвійний гетероперехід, побудований на базі напівмагнітних напівпровідників. Метод може бути застосований у спінтроніці (Г. В. Верцімаха. С. Б. Лев, В. Й. Сугаков).
Виявлено нові ефекти в металах з порами, заповненими атомами інертних газів. Показано існування сильного підсилення інтенсивності оптичних переходів зі збудженням станів атомів інертних газів у порах унаслідок змішування їхніх станів зі станами локалізованих в околі пор плазмонів (І. Ю. Голіней, В. Й. Сугаков). Це була перша робота з популярного зараз напрямку керування властивостями середовища –плазмоніки.
З’ясовано роль електронного оточення у збудженні та розпаді ядер. Зокрема, О. Я. Дзюблик разом з французькими колегами розрахував перерізи кулонівського збудження ядер вільними електронами в гарячій плазмі, враховуючи електронне екранування. Було також показано, що електронне оточення призводить до незначного зростання (~ 0,1 %) часу життя ядер по відношенню до альфа-розпаду порівняно з випадком, коли атоми повністю іонізовані; розвинуто послідовну теорію збудження ядер при електронних переходах, що дозволило описати всі тонкі експериментальні ефекти; пояснено появу низькоенергетичного піка в спектрах електронів струсу, що супроводжують розпад ядер (О. Я. Дзюблик). Показано можливість збудження ядер, а також вивільнення за вимогою великої енергії ядерних ізомерів при опроміненні їх рентгенівськими лазерами (О. Я. Дзюблик). З’ясовано особливості дифракції Лауе гамма-квантів та теплових нейтронів у сильно поглинаючих кристалах, що може бути використано при аналізі структури кристалів (О. Я. Дзюблик, В. В. Михайловський, В. Ю. Співак).
Розглянуто вплив металічної наночастинки на процеси фотосинтезу. Теоретично досліджено вплив взаємодії сферичної наночастинки з діелектричним осердям з електронними збудженнями світлозбирального (LH2) комплексу фотосинтетичних бактерій на інтенсивність поглинання світла. Показано, що вплив срібної і золотої наночастинки приводить до посилення поглинання світла, яке зростає при збільшенні розміру наночастинки, наближення частинки до молекулярного кільця й у випадку використання наночастинок з низькою діелектричною проникністю матеріалу осердя (І. Ю. Голіней, Г. В. Верцімаха, В. Й. Сугаков).
Побудовано в рамках методу ефективного середовища аналітичну теорію, що описує температурну залежність коефіцієнта дифузії поляронних триплетних екситонів у полімерних структурах зі слабим енергетичним безладом. Знайдено, що у високотемпературній області ефективний коефіцієнт дифузії має поляронно обумовлену термічно активовану залежність, а у низькотемпературній області має місце слабка температурна залежність, що обумовлена тільки слабким енергетичним безладом. Уперше показано, що при зменшенні електрон-фононної взаємодії в полімерах високотемпературна область застосування поляронної моделі Маркуса різко звужується й у широкому діапазоні температур може бути застосована тільки широко використовувана модель Міллера - Абрахамса, в якій відсутні полярони і враховується тільки енергетичний безлад при слабкій електрон-фононній взаємодії (І. І. Фіщук).
Обчислено та проаналізовано спектри енергетичних втрат електронів при розсіянні на органічній молекулі в присутності срібної наночастинки. Показано, що резонансна взаємодія між збудженнями молекули та локалізованими плазмонами срібної нанооболонки призводить до значного збільшення ймовірності збудження молекули (І. Ю. Голіней, Є. В. Оникієнко).
Пояснено явище появи провалу в температурній залежності повзучості сталі при ядерному опроміненні, що спостерігалось в ІЯД (ефект Карасьова). Ефект обумовлений зміною радіаційних і температурних потоків дефектів до дислокацій зі зміною температури (П. О. Селіщев (КНУ), В. Й. Сугаков).
Основні результати наукової роботи ВТЯР (1995 - 2016).
У ВТЯР розроблялися методи і програми розрахунку перехідних та стаціонарних процесів в ядерних реакторах та розмножуючих нейтрони системах. На основі розвинутих методів були досліджені питання ядерної безпеки об’єкта «Укриття» та інших скупчень ядерних матеріалів, що можуть ділитися. На основі ймовірнісного підходу до розташування паливних матеріалів в об’єкті «Укриття» було розраховано коефіцієнт розмноження нейтронів у лавоподібних паливомісних матеріалах (ЛПВМ) і показано, що деякі ймовірні композиції з реальною кількістю ядерних матеріалів і реальним нуклідним складом можуть бути ядерно-небезпечними. Тобто в умовах наповнення ЛПВМ водою (дощі та конденсація вологи) є можливим, що коефіцієнт розмноження нейтронів у системі досягне та перевищить одиницю (О. Я. Верцимаха, В. М. Павлович). Найбільш імовірним сценарієм розвитку самопідтримної ланцюгової реакції (СЛР) виявився сценарій коливань нейтронного потоку з подальшим переходом системи у підкритичний стан з великою кількістю води. Схожа картина поведінки густини потоку нейтронів спостерігалася на об’єкті «Укриття» в 1990 р. Ці роботи знайшли продовження останнім часом після спорудження нового конфайнмента над об’єктом «Укриття». Виявилось, що осушення паливних мас може привести до значного нейтронного спалаху в системі (О. Я. Верцимаха, В. О. Бабенко, В. М. Павлович).
Розроблена методика застосовувалась також до вивчення аварії на японському заводі з конверсії уранового палива в Токаі-Мура. На відміну від об’єкта «Укриття» в Токаі-Мура спостерігалися періодичні нейтронні спалахи, які, відповідно до розрахунків, пояснюються розвитком СЛР у надкритичній системі з її подальшим затуханням завдяки накопиченню радіолітичного газу. Виток радіолітичних газів обумовлював наступний спалах (С. А. Стороженко, В. М. Павлович).
Досліджувалась також загальна поведінка нерівноважних розмножуючих систем, якими є ядерний реактор і скупчення ядерних матеріалів. Показано можливість виникнення дисипативних структур у таких системах, і на прикладі нейтронно-ксенонових коливань в ядерних реакторах досліджено біфуркаційну структуру параметричного простору (В. М. Павлович, С. Г. Шпирко).
Запропоновано та розроблено розрахунково-експериментальну методику вимірювання коефіцієнта розмноження нейтронів у глибоко підкритичних системах, якими в сухому вигляді є ЛПВМ ЧАЕС. Методика заснована на вимірюванні статистичних властивостей нейтронного випромінювання в поєднанні з розрахунками статистичних розподілів і параметрів розмножуючої системи. Запропонована В. М. Павловичем на основі цієї методики електронна апаратура виготовлена та випробовується на об’єкті «Укриття» (С. А. Стороженко, В. М. Павлович, С. В. Ярошенко спільно з ІПБ АЕС НАН України).
Запропоновано нову концепцію керування ядерними реакторами за допомогою газових або рідинних потоків речовини, що ділиться (В. М. Павлович, С. А. Яцкевич).
У ВТЯР розглянуто та обґрунтовано фізичні принципи побудови підкритичного дослідницького реактора, в якому реакція поділу підтримується зовнішнім джерелом нейтронів. Оптимізація структури активної зони таких реакторів дозволяє підсилити потік нейтронів від зовнішнього джерела на три порядки і більше (В. І. Гулік, В. М. Павлович).
Важливі і цікаві результати отримано при дослідженні реакторів на хвилі ядерного поділу (реактор Феоктистова, Traveling Wave Reactor). Отримано умови існування та стійкості стаціонарної хвилі ядерних поділів і на їхній основі аналітично і чисельно розраховано залежність швидкості хвилі (або потужності реактора) від кількості поглинача у активній зоні. Показано можливість використання у хвильовому реакторі різних типів палива, у тому числі відпрацьованого палива легководних реакторів без радіохімічної переробки. Розроблено методику чисельного розрахунку параметрів хвилі поділів на основі сучасних розрахункових реакторних кодів (О. М. Хотяїнцева, В. М. Павлович; В. М. Хотяїнцев, КНУ).
В. М. Павлович є одним з ініціаторів та безпосереднім учасником застосування ядерно-фізичних методів в антарктичних дослідженнях України. Він був учасником VII, ІХ, Х, ХІІ Українських антарктичних експедицій. З метою можливого передбачення землетрусів паралельно в Україні та на українській антарктичній станції «Академік Вернадський» налагоджено моніторінг вмісту радону в повітрі поблизу розломів земної кори. Радонометрія відбувається одночасно із сейсмометрією за допомогою чутливих сейсмографів. Аналіз накопичених в Україні та Антарктиді даних дозволив пов’язати підвищення концентрації радону з проходженням сейсмічних хвиль або виникненням землетрусів. Покладено також початок використанню нейтронно-активаційного елементного аналізу в екологічних, палеокліматичних та гляциологічних дослідженнях.
Перспективи подальших досліджень відділу теоретичної фізики.
Дослідження напівпровідникових наноструктур, їхньої поведінки при ядерному та інтенсивному лазерному опроміненнях. Побудова теорії збудження та розпаду ядер, стимульованих оптичним або рентгенівським лазерним імпульсом. Вивчення впливу нових фаз у кристалах, індукованих зовнішнім опроміненням, на фізичні властивості кристалів. Теоретичне дослідження полімерів. Вивчення залежності від температури та електричного поля ефективних електропровідності та рухливості у високопровідних полімерах. Розгляд ефектів змішування станів системи з плазмовими коливаннями для підсилення різноманітних процесів: фотосинтезу, ефектів розсіяння частинок, випромінювання світла та ін.

Державні та академічні премії.
Державна премія України в галузі науки і техніки 1987 р. за роботу «Ефекти самовпливу та самоорганізації при формуванні упорядкованих дефектних та домішкових структур у твердих тілах» (В. Й. Сугаков).
Премія НАН України імені К. Д. Синельникова 1998 р. за цикл робіт «Поверхневі екситони та деформуючі поляритони в молекулярних кристалах» (В. Й. Сугаков).
Премія НАН України імені С. І. Пекаря 2013 р. за цикл робіт «Теорія кореляційних та когерентних процесів у напівпровідникових гетеро-структурах» (В. Й. Сугаков).
Премія НАН України імені К. Д. Синельникова 2019 р. за цикл робіт «Теорія процесів у зв’язаній системі атомів і ядер» (О. Я. Дзюблик).

Міжнародна співпраця.
У рамках грантового проекту CRDF (США, Месачусетський технологічний інститут, 1997 - 1999) розвинено теорію утворення просторових структур і автоколивань у кристалах при ядерному опроміненні.
При виконанні грантового проекту INTAS (Німеччина, Вюрцбурзький університет Юліуса Максиміліана, Інститут фізики Польської академії наук (ПАН), Варшава, 2004 - 2007) отримано залежність ширини смуг екситонних смуг у гетеропереходах на базі напівмагнітних напівпровідників від магнітного поля. Роботи з фізики гетероструктур спільно з Інститутом фізики ПАН та ІФ НАН України продовжуються.
За грантом “Visby” (Швеція - Україна - Литва, м. Лінчьопін, 2007 - 2009) було показано утворення локалізованих станів екситонів у квантовій ямі напівпровідника у присутності металевої кульки.
За грантом з Фізичним інститутом імені П. М. Лєбєдєва (Росія, 2013) розраховано просторове розміщення фаз електронно-діркової рідини в напівпровідниках.
З японськими вченими (Японія, Тохуко університет, м. Сендай) досліджено фазові переходи в ланцюжку атомів в моделі «доміно».

Наукові дослідження транспортних властивостей неупорядкованих органічних напівпровідників проводились у тісному співробітництві з зарубіжними науковцями. Разом із працівниками Марбурзького університету імені Філіппа (Німеччина) та Інституту макромолекулярної хімії (Прага, Чехія) виконувалася спільна наукова робота в рамках програми гранта НАТО у 2002 - 2003 рр. Із працівниками Марбурзького університету (Німеччина), IMEC (Бельгія), Інституту макромолекулярної хімії (Прага, Чехія), Інституту напівпровідників та твердого тіла (Лінц, Австрія), Байройтського університету (Німеччина) виконувалася спільна наукова робота в рамках двох українсько-австрійських міжнародних проектів у 2009 - 2012 рр. Побудовано аналітичну теорію рухливості носіїв заряду з їх довільною концентрацією в органічних неупорядкованих напівпровідниках при наявності довільного зовнішнього електричного поля та розвинуто теоретичну модель, що описує стрибковий транспорт в органічних напівпровідниках із врахуванням енергетичної невпорядкованості та поляронного внеску.
Разом із співробітниками Казанського університету (Росія) за допомогою мессбауерівської спектроскопії відкрито явище квазізееманівського розщеплення квазіенергетичних рівнів ядер, що знаходяться в радіочастотному магнітному полі.
Спільно із співробітниками CEA DAM Il de France (Франція) показано, що вільні високоенергетичні електрони в гарячій плазмі ефективно збуджують ядра з енергіями ~1 кеВ.

Налагоджено тісне співробітництво відділу теоретичної фізики ІЯД з Центром медичної радіаційної фізики Університету Вуллонгонгу, Австралія (проф. А. Б. Розенфельд) у напрямку моделювання та теоретичного дослідження властивостей різноманітних кремнієвих структур для використання їх у радіаційній медицині та моніторингу різноманітних радіаційних пучків. Співробітники відділу беруть участь в обговоренні планування експериментів, аналізують та пояснюють результати експериментів. Результати досліджень регулярно доповідаються на міжнародних конференціях (наприклад IEEE Nuclear Science Symposium – Medical Imaging Conference).
Відділ плідно працює зі співробітниками Київського національного університету імені Тараса Шевченка, Інститутом фізики НАН України, Інститутом фізики напівпровідників НАН України тощо.

Монографії.