Відділ теоретичної фізики

Відділ був організован у 2003 році в результаті об'єднання відділу теорії електронних властивостей твердих тіл (завідувач - професор Р.М. Гуржі ) та відділу квантової теорії та нелінійної динаміки макроскопічних систем (завідувач - професор A.M. Косевич ).

Першим завідувачем відділу був академік НАН України Л.А. Пастур.

З 2016 по 2021 рік відділ очолював професор І.В. Кріве.

З 2021 року відділ очолює доктор фізико-математичних наук В.В. Славін.

Зараз у відділі працюють 22 співробітника, серед яких 9 докторів наук and 10 кандидатів наук та 1 доктор філософії з природничих наук (фізика та астрономія).

Основні напрямки досліджень:

• Фізика твердого тіла
• Квантові рідини, квантові кристали та кріокристали
• Нанофізика та нанотехнології
• Спектральна теорія випадкових операторів та великих випадкових матриць у фізиці конденсованих середовищ
• Електронні властивості в провідних та непровідних системах
• Фізика магнітних явищ, спінтроніка
• Комп'ютерне моделювання фізичних властивостей та процесів у конденсованому середовищі
• Квантові макроскопічні явища
• Низьковимірна фізика
• Фізика поверхні
• Фізика багатошарових структур, метаматеріали
• Невпорядковані квантові системи

Найважливіші результати:

• Побудовано теорію електронної магнітної сприйнятливості топологічних напівметалів. Вперше виявлено, що певні особливості магнітної сприйнятливості електронної системи можуть слугувати прямими маркерами приналежності матеріалу до топологічних напівметалів. Це дозволяє наперед прогнозувати прояви матеріалом нетривіальних квантових властивостей в залежності від поведінки його магнітної сприйнятливості від температури, хімічного потенціалу та магнітного поля.
• Розроблено теорію, що описує розподіл сингулярних значень випадкових матриць якобіану входу-виходу, які виникають у глибоких нейронних мережах. Відкрито та пояснено явище слабкої універсальності: ефект слабкого впливу активаційної функції на цей розподіл. Отримані розподіли сингулярних значень, що відповідають різним глибинам нейронних мереж і показано, що зі зростанням глибини мережі розподіл сингулярних значень набуває δ-подібної форми.
• Запропоновано теорію електронних топологічних переходів 3½ роду в металах та напівметалах з лініями вузлів. Побудовано загальну теорію, що описує магнітну сприйнятливість та магнітострикцію топологічних напівметалів (дираківських, вейлівських і з лініями вузлів) та відкриває новий експериментальний спосіб відрізнення релятивістських квазічастинок від звичайних. Продемонстровано узгодженість отриманих теоретичних результатів з експериментальними даними щодо магнітострикції вейлівського напівметалу TaAs та магнітної сприйнятливості напівметала з лініями вузлів ZrSiS. Результати ініціювали цілу серію експериментальних досліджень та їх обговорень. Таким чином, вперше в світі продемонстровано, що дилатометрія може бути ефективним інструментом виявлення вейлівських електронів у напівметалах, навіть, якщо в цих матеріалах присутні звичайні носії заряду. Фактично, запропоновано оригінальний та ефективний метод ідентифікації топологічних вейлівських напівметалів, який може досить просто бути реалізовано у сучасних фізичних лабораторіях.
• Сформовано новий напрям досліджень у спінтронних технологіях: керований магнітним полем спіновий молекулярний транзистор із квантовою рухливою точкою. Вперше передбачено та теоретично описано нове явище: немонотонна залежність кондуктансу від напруги на транзисторі та від’ємного диференційного кондуктансу, обумовленого збільшенням у полі тунельного опору, що пов’язаний з шатлівським механізмом переносу заряду. Розроблено наукову теорію, виявлені та науково описані нові явища.
• Досліджено нові явища у фізиці, такі як ферміони Майорани в конденсованих середовищах. Показано, що наявність електрода без напруги відновлює аномалію нульового напруги навіть для сильного розщеплення енергії Майорани. Також показано, що сильна асиметрія забезпечує критерії того як відрізнити стан Майорани від звичайного (домішкового) резонансного стану.
• Представлено теорію термічно індукованої одноелектронної "човникової" нестійкості в магнітному наномеханічному пристрої, що піддається дії зовнішнього магнітного поля, в режимі кулонівської блокади електронного транспорту.
• Показано, що наноелектромеханічна система може бути механічно активована потоком тепла через неї завдяки електрон-електронній взаємодії (наноелектромеханічний тепловий двигун). На відміну від більшості відомих механізмів активації в подібних системах, цей новий механізм не передбачає ні електронного струму, ні зовнішніх змінних полів.
• Досліджено структуру основного стану двовимірних ґраткових систем з далекодійним потенціалом міжелектронного відштовхування. Виявлено утворення електронних смуг та ефективне зниження розмірності системи.
• Виявлено відсутність властивості самоусереднення ентропії заплутаності невпорядкованих вільних ферміонів в одновиміних системах.
• Встановлено новий міжпідзонний механізм НВЧ-індукованих коливань провідності та абсолютної від’ємної провідності в багатопідзонних 2D електронних системах.
• Розраховано аномальне відбиття квазічастинок від поверхні розбавленого розчину ³He-⁴He.
• Теоретично описано нелінійну динаміку 2D Вігнерівського кристалу на поверхні надплинного гелію.
• Розроблено теорію кінетичних явищ у двовимірному виродженому електронному газі в гетероструктурах. Показано, що динаміка електрон-електронного розсіювання в таких системах діє зовсім інакше, ніж у тривимірних металах. Були передбачені нові кінетичні ефекти, а саме: (i) одновимірна дифузія носіїв заряду як механізм переносу заряду в двовимірних системах; (ii) передбачена надчутливість до слабкого магнітного поля релаксаційних механізмів, пов'язаних з двовимірним електрон-електронним розсіюванням при низьких температурах.
• Побудовано теорію розповсюдження електронних пучків у двовимірному виродженому електронному газі. Теорія була використана для розробки методу спектроскопії розсіювання, який дозволив експериментально знайти специфічні двовимірні особливості електрон-електронного розсіювання, передбачені членами групи раніше. Нелінійний ефект нагрівання електронних пучків у двовимірному електронному газі був передбачений та пізніше експериментально спостерігався.
• Запропоновано джерело зі «спін-гідом». Цей пристрій дозволяє передавати струми з високим ступенем спінової поляризації на великі відстані. За певних умов спін-гід може генерувати майже ідеально спін-поляризований струм, навіть якщо використаний магнітний матеріал не повністю поляризований. Було розроблено детальну теорію спін-гідових структур, а також запропоновано та теоретично досліджено ряд схем спін-польових транзисторів як з електричним, так і з магнітним керуванням. Обговорювалася роль електрон-електронних зіткнень у переносі заряду та імпульсу в гібридних магнітних/немагнітних структурах.
• Розроблено теорію інжекції надвузьких пучків у твердотільні структури через мікро- та нано- перетяжки довільної форми.
• Запропоновано схему транзисторного пристрою, який може підсилювати та генерувати змінний спіновий сигнал. Цей пристрій використовує просторове розділення спінових компонентів струму та електричних затворів у спеціальній гібридній магнітно-немагнітній структурі. Конструкція такого пристрою має бути можливою з використанням сучасних матеріалів та методів виготовлення.
• Передбачено ефект «спінового маятника» в кільцеподібній геометрії спін-клапана – часові коливання повного струму та спінової поляризації в неоднорідному магнітному провіднику за наявності гідродинамічного транспорту електронів. Цей ефект може мати важливі застосування в наноелектронних схемах.
• Аналітично описано динаміку дискретних бризерів та нелінійних періодичних хвиль в інтегровних моделях ангармонічних кристалів та нелінійних лініях передачі.
• Знайдено точні розв'язки спектральної задачі для локалізованих збуджень та задачі розсіювання для спінових хвиль в анізотропних магнетиках, що містять доменні стінки та спінові кластери за наявності магнітного поля.
• Побудовано теорію локальної від’ємної магнітної проникності в низьковимірних нелінійних метаматеріалах, що містять бризерні збудження.
• Вперше надано фізичне пояснення експериментального спостереження від’ємного теплового розширення текстурованих вуглецевих нанотрубок, що спостерігається при низьких температурах. Показано, що цей ефект зумовлений швидким зростанням амплітуд крутильних коливань окремих нанотрубок у пучку зі збільшенням температури. Було розроблено теорію, яка описує негативний вплив одновимірного характеру поведінки спектральних густин станів таких коливань.
• Побудовано теорію спонтанного порушення симетрії магнітострикції в металах з багатодолинною зонною структурою.
• Відкрито та науково описано нове явище формування лінійного поляризаційного заряду в квантованій вихровій лінії в магнітному полі в надплинній рідині. Цей заряд локалізований поблизу осі вихору на масштабах порядку довжини когерентності.
• Розроблено теорію, що описує зв'язок між розподілом поверхневих струмів Мейсснера та критичним магнітним полем, при якому вихори починають проникати в надпровідну пластину.
• Теоретично відкрито явище гігантських електро- та еластокалоричних ефектів в одновимірних спінових ланцюгах. Ці явища супроводжуються значними стрибками ентропії та температури.