Дискретные бризеры в кристаллах

В течение последних десятилетий в физике конденсированного состояния наиболее активно изучаются нелинейные системы. Одним из наиболее интересных и важных для практического применения объектов нелинейной физики являются волны солитонного типа (уединенные волны). Не смотря на то, что солитоны известны науке более 170 лет, во многих областях знания они мало изучены. Так в последнее время возрастает интерес к дискретным нелинейным системам, в которых возможно существование динамических солитонов. Примером динамического солитона могут служить дискретные бризеры (ДБ) – локализованные в пространстве и периодические по времени высокоамплитудные возбуждения в нелинейных дискретных структурах с трансляционной симметрией. 

В силу сложности проведения натурных экспериментов основным методом исследования являлся метод компьютерного моделирования. Компьютерное моделирование стало весьма продуктивным методом исследования в физике конденсированного состояния и в материаловедении. Этот факт обусловлен постоянным ростом мощности и доступности вычислительных машин, разработкой и программной реализацией численных методов. Одним из наиболее эффективных методов изучения ДБ является метод молекулярной динамики (МД), опирающийся на хорошо апробированные межатомные потенциалы. Говоря более подробно о методе молекулярной динамики, следует отметить, что он позволяет решать задачи, касающиеся проблем структурно энергетических трансформаций, как в кристаллических, так и в некристаллических материалах. Кроме того, данный метод позволяет рассчитать многие свойства системы как термодинамические (например, энергию, давление, энтропию), так и кинетические (коэффициенты диффузии, частоты колебаний атомов). Причем в данном методе имеется возможность соизмерять динамику исследуемых процессов с реальным временем.

В данной работе мы изучали свойства дискретных бризеров в моноатомных кристаллах и в кристаллах стехиометрии AB и A₃B. В ходе работы нами были выполнены все поставленные задачи.

Проведя анализ литературы по проблематике нашей курсовой, мы ознакомились с понятиями солитон, дискретный бризер.

Опираясь на полученные теоретические данные, мы реализовали минимизацию энергии кристаллической структуры Pd  и провели расчет фононных спектров кристалла Au, получили плотности его фононных состояний при помощи программного пакета LAMMPS Molecular Dynamics Simulator. Методом молекулярной динамики в ГЦК кристалле Pd был получен дискретный бризер с жестким типом нелинейности, изучены характеристики дискретного бризера, приведена зависимость частоты от амплитуды, проведено исследование влияния начальных условий на характеристики дискретного бризера. Исследовано взаимодействие нелинейной локализованной моды большой амплитуды с бивакансией Pt в кристалле Pt₃Al. Выявлены зависимости времени жизни нелинейной локализованной моды от начальной температуры модельного кристалла, а также расстояния до внедрённой бивакансии Pt в плоскости (111) кристалла. Методом молекулярной динамики обнаружен дискретный бризер в кристалле CuAu. Предложена функция формирования начальных условий для возбуждения дискретного бризера с жестким типом нелинейности в кристалле CuAu. Показано, что дискретный бризер может быть получен в плотноупакованном ряду атомов Cu вдоль направления [110]. Проанализированы условия для возбуждения дискретного бризера, а так же зависимость его частоты от амплитуды.

В рассмотренных нами кристаллах возможно существование дискретных бризеров, как с жестким типом нелинейности, так и с мягким типом нелинейности. Программный пакет LAMMPS имеет большие возможности для моделирования физических процессов.

Полученные результаты свидетельствуют о важной роли дискретных бризеров в кристаллах, об их вкладе в свойства кристаллов. Данные результаты будут полезны при разработке новых конструкционных материалов, а также возможно использование в некоторых технологических процессах.

По результатам исследования опубликовано 6 работ, одна из которых в журнале из списка ВАК.