ОТДЕЛ ФИЗИКИ ВЫСОКИХ ДАВЛЕНИЙ И ПЕРСПЕКТИВНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

 доктор фізико-математичних наук, професор
(044) 524-04-80


Після переміщення, рамках структурної оптимізації Інституту відділ Фізики високих тисків та перспективних технологій у 2015 р. було реструктуризовано. До його складу увійшли співробітники трьох відділів, що існували в Інституті до 2014р. включно, а саме, співробітники відділу Фізики високих тисків та перспективних технологій, відділу Теорії магнетизму та фазових переходів та відділу Комплексних фізичних досліджень в екстремальних умовах. За станом на 01.01.2021 р. у відділі працює 10 наукових співробітників, серед яких 2 доктора фіз.-мат. наук, 2 доктора техн. наук, 2 кандидата фіз.-мат. наук, 1 кандидат техн. наук.

Основними напрями наукової діяльності відділу є:

  • Експериментальні та теоретичні дослідження закономірностей формування магнітних, електронних, динамічних та інших фізичних властивостей складних гібридних та наноструктурованих систем, що пов’язані з конкуруючою взаємодією їх складових, характером елементарних збуджень, ефектами близькості, перколяції, (нано)розміру, тощо з метою встановлення можливостей керування цими властивостями та цілеспрямованого створення багатофункціональних матеріалів з унікальними фізичними характеристиками. Теоретичні дослідження з динаміки спінових систем, зокрема, моделювання повздовжньої динаміки намагніченості при температурах близьких до температури магнітного впорядкування. Цей напрям досліджень відповідає таким сучасним світовим науковим напрямам, як надпровідна спінтроніка та магноніка.
  • Експериментальні та теоретичні дослідження процесів, які відбуваються в матеріалах різної природи (метали, полімери, неорганічні сполуки, композити), в тому числі наноструктурованих, під дією високого тиску, пластичної деформації, термічної обробки, легування та розроблення наукових основ перспективних технологій одержання функціональних і конструкційних матеріалів різного призначення. Ці дослідження відповідають таким сучасним світовим науковим напрямам, як інтенсивні пластичні деформації, наноматеріали та матеріали з внутрішньою архітектурою.

   Результати роботи Підрозділу

В рамках наукового напряму надпровідна спінтроніка та магноніка виконані дослідження щодо взаємодії надпровідності та магнетизму в композитах з різним співвідношенням компонент наночастинок феромагнітного манганітів та надпровідників. Виявлено ряд нових ефектів. Зокрема, встановлено, що основні характеристики нанокомпозиту (критична температура, вольт-амперні характеристики, поріг перколяції, тощо) суттєво залежать від співвідношення об’ємів надпровідник/манганіт і не можуть бути пояснені в рамках традиційних уявлень про перколяційний перехід. Методом мікроконтактної спектроскопії проведено вимірювання надпровідної енергії спарювання в композиті. Виявлено надлишковий струм, подвоєння провідності нормального стану точкових контактів і піки провідності, що відповідають енергетичним щілинам. Для пояснення цих результатів запропонована нова гіпотеза фазової когерентності надпровідного стану, що наводиться в манганіті так званим «ефектом близькості».

В рамках досліджень по інтенсивної пластичної деформації (ІПД) розроблено метод гвинтової екструзії (ГЕ) — метод інтенсивної пластичної деформації (ІПД) для створення об’ємних субмікрокристалічних наноструктурних матеріалів. У сучасних оглядах метод ГЕ, під назвою Twist Extrusion, згадується як один з п’яти найбільш поширених у світі методів ІПД. Спільними зусиллями співробітників відділу, ЗАТ «Мотор Січ», ДДМА і ЗНТУ, на ЗАТ «Мотор Січ» створено дільницю для дослідження можливостей гвинтової екструзії в підвищенні показників якості матеріалів авіаційної техніки В даний час відділ бере активну участь у формуванні нового напряму матеріалознавства «ІПД синтез», тобто створення перспективних матеріалів з внутрішньою архітектурою методами інтенсивних пластичних деформацій. (більш докладніше див. https://www.advancedsciencenews.com/synthesis-hybrid-materials-severe-plastic-deformation/).

До визначних досягнень підрозділу також належать наступні:

2020

  • Спінова хвиля (СХ), що поширюється у зовнішньому статичному електричному полі, набуває топологічну фазу, так звану фазу Ааронова-Кашера (AC). Це еквівалентно вибірковому зміщенню дисперсії СХ та напрямку потоку потужності СХ зовнішнім електричним полем у k-просторі. У лінійному наближенні ефект електричного поля (фазу АС) можна врахувати, додаючи взаємодію між сусідніми спінами, подібну взаємодії Дзялошинського-Морія. Даний ефект застосовано для вивчення можливості контролю зовнішнім електричним полем заломлення розповсюджуваних СХ, що перетинають межу між двома областями однорідної плівки феромагнетику, які знаходяться під впливом різного зовнішнього електричного поля. Отримано аналітичний вираз узагальненого закону Снелліуса для СХ та виконано відповідне мікромагнітне моделювання. Продемонстровано, що проходження СХ можна контролювати за допомогою зсуву їх фазови (фази АС). Показано, що поведінка розсіювання та заломлення СХ на такій межі двох областей магнітної плівки відповідає узагальненому закону Снелліуса. З фундаментальної точки зору, цей ефект може бути використано як спосіб кількісного експериментального визначення додаткової топологічної фази СХ індукованої зовнішнім електричним полем. Топологічний ефект АС відкриває також новий ефективний спосіб керування СХ в пристроях магноніки.
  • Показано, що обробка шаруватих композицій різних металів методами інтенсивної пластичної деформації призводить до міцного з’єднання компонентів композицій між собою і контрольованого формування в них мультімасштабних структур: на нижньому масштабному рівні створюються наноструктури, головним елементом яких є нерівноважні висококутові границі зерен товщиною близько 1 нм; на проміжних масштабних рівнях, з характерним розміром елементів 1-100 мкм, формуються мезоструктури, подібні до тих, що спостерігаються в літосфері Землі. На цій основі запропонований новий підхід до створення металевих матеріалів – літоміметика. На цьому шляху можуть бути створені нові матеріали з високою в’язкістю руйнування, високою міцністю, високою пластичністю, малою густиною, гарною біосумісністю тощо. (більш докладніше див. https://doi.org/10.1002/adma.202005473)

2019

  • В межах феноменологічного рівняння Ландау-Ліфшиц-Баряхтар [В.Г. Барьяхтар, ЖЄТФ 87, 1501 (1984)] описана нелокальна релаксація динаміки намагніченості для кристалів різної симетрії. Спіральні магнітні структури зі ступенем спіральності завдяки конкурентні обмінні взаємодії або завдяки взаємодії Дзялошинський-Морія розглядаються та пов’язані між собою отримані дисипативні функції. В рамках загального феноменологічного підходу показано, що магнітокіральна невзаємність проявляється в різних нелокальних затухання спінових хвиль з протилежною хвилею вектори. Встановлені особливості динаміки намагніченості в матеріалах просторово довгоперіодичною магнітною структурою є загальним і не залежать від деталей розсіювання магнонів. Ці особливості спін-хвильової динаміки є важливими при практичному застосуванні магнітів з магнітокіральним магнітним упорядкуванням у магноніці та спінтроніці. (у співавторстві з акад. В.Г. Барьяхтар, ІМаг НАНУ та МОНУ, А.Г. Данілевіч, НТУ МОНУ)
  • Розрахунками показано, що складом стрижневого матеріалу можна ефективно управляти анізотропією його пружних властивостей. На цій основі запропоновано підхід до створення матеріалів з настроюваною анізотропією. Він проілюстрований шляхом комп’ютерних досліджень на моделі з трикутною граткою, що містить елементарну комірку з 12 стрижнів, жорсткість кожного з яких може приймати одне з трьох значень. Тензор модулів податливості для заданої архітектури визначали шляхом розрахунків деформації представницького елемента при трьох тестових навантаженнях. Для встановлення зв’язку склад-архітектура-властивості, через дуже велике число можливих варіантів, застосовували підходи Big Data. Для ілюстрації можливості запропонованого підходу спроектовані кілька матеріалів, із заздалегідь заданою анізотропією пружних характеристик.

2018

  • Досліджені транспортні характеристики нанокомпозитів з напівметалевого феромагнетика і високотемпературного надпровідника з різним об’ємним співвідношенням і суттєвою геометричною розбіжністю складових: наночастинки манганіту La0.67Sr0.33MnO3 і мікрочастинки Bi2Sr2Ca2Cu3O6+x. Експериментально встановлено, що композити із вмістом манганіту нижче 30% демонстрували два перколяційних переходи: надпровідник – метал – ізолятор/напівпровідник. Спостережені особливості транспортних властивостей пов’язано з двома факторами: суттєвою різницею у розмірі складових композиту та специфікою надпровідного ефекту близькості між надпровідником d-типу та феромагнітним металом з поляризованим по спіну струмом.
  • Показано, що простий зсув під тиском шаруватих металевих композитів призводить до втрати стійкості плоскої межі між шарами, та утворення у композиті вихорів та складок.

2017

  • Показано, що поєднання диполь-дипольної взаємодії та індукованої електричним полем невзаємності в поширенні спінових хвиль призводить до появи односпрямованих каустик дипольно-обмінних спінових хвиль. Встановлена можливість контролю потоку енергії спінової хвилі у тонких феромагнітних плівках зовнішнім електричним полем. Ці результати відкривають новий важливий напрям у спіновій електроніці, а саме, можливість впливати зовнішнім електричним полем на характер розповсюдження спінових хвиль в пристроях магноніки.
  • Запропоновано новий метод інтенсивної пластичної деформації — пластичне різання. Теоретично показано, що метод дозволяє отримати листові матеріали з об’ємних заготовок і при цьому сформувати в них градієнтну субмікрокристалічну структуру та градієнтну текстуру. Експериментально показано, що отримані таким методом алюмінієві листові матеріали мають набагато більш високу витяжну здатність, ніж ті, що отримані прокаткою.

2016

  • Встановлено суттєве перенормування частоти повздовжніх коливань намагніченості, що обумовлено віртуальними процесами народження та анігіляції поперечних спінових хвиль. Показано, що спектр повздовжніх коливань складаються з квазі-релаксаційної моди, яка обумовлює центральний пік у χzz(q,ω), та двох мод (акустичної та обмінної) осциляційного типу. Акустична і обмінна моди повздовжніх коливань за енергією розташовані вище, ніж подібні моди поперечних спінових хвиль. Існування обмінних повздовжніх мод такого типу виявляє нові особливості динаміки намагніченості феромагнітних систем при підвищених температурах, що можуть бути важливими для розуміння фізики нерівноважних збуджень у феримагнетиках під дією фемтосекундного лазерного випромінювання.
  • Шляхом аналізу проблеми кручення металевого диска під високим тиском (КВТ) в жорстко-пластичній постановці показано наступне: самоподібність в розвитку мікроструктури деформованого матеріалу призводить до скейлінгових закономірностей для макроскопічних характеристик процесу; лише при скейлінгу еквівалентна деформація в кожній точці зразка є лінійною функцією кута повороту ковадла, в іншому випадку вона є функціоналом процесу деформування, який залежить від кривої деформаційного зміцнення матеріалу. Отримані результати важливі для коректної обробки експериментів по КВТ.
  • Показано, що деформація простого зсуву під тиском, призводить до вихрових рухів у металевих матеріалах, які забезпечують значне збільшення швидкості масопереносу в об’ємі зразка.

Плани роботи Підрозділу на найближчі декілька років

Виявлення та вивчення фундаментальних закономірностей формування магнітних, електричних, динамічних властивостей складних гібридних та наноструктурованих систем, що пов’язані з конкуруючою взаємодією їх складових, характером елементарних збуджень, ефектами перколяції, близькості, (нано)розміру тощо з метою встановлення механізмів керування цими властивостями та цілеспрямованого створення багатофункціональних матеріалів з унікальними фізичними характеристиками, які необхідні для розвитку сучасних інноваційних технологій. Вивчення особливостей квантового топологічного стану металів, надпровідників, магнетиків та наноструктурованих систем на їх основі.

Розвиток нового напряму матеріалознавства «ІПД синтез», тобто створення перспективних матеріалів з внутрішньою архітектурою методами інтенсивних пластичних деформацій.

Основні цілі відділу

1. Проведення досліджень на міжнародному рівні за наведеними вище напрямами.

2. Розвиток співпраці з закладами вищої освіти, зокрема з Донецьким національним університетом ім. Василя Стуса, Київським академічним університетом, Київським національним університетом ім. Тараса Шевченка, Київським політехнічним інститутом, та ін., з метою більш масштабного залучення студентів та аспірантів до наукових досліджень.

3. Розвиток міжнародного співробітництва, зокрема з IFW та HZDR (Дрезден, Німеччина), BESSY (Берлін, Німеччина), Université Savoie Mont Blanc (Франція), Stockholm University (Швеція), Технологічний інститут Карлсруе (Німеччина), Кафедра матеріалознавства університету Лунд  (Швеція) та ін.  з метою збільшення участі науковців відділу у європейських  наукових програмах.

4. Прикладні дослідження, спрямовані на передачу технологій ІПД в промисловість.

Вибрані публікації

  1. V.N. Krivoruchko, V.Yu., Tarenkov. Percolation transitions in d-wave superconductor-half-metallic ferromagnet nanocomposites. ФНТ 45, #5, p.555-561 (2019) [Low. Temp. Phys. 45, 476 (2019);https://doi.org/10.1063/1.5097355
  2. А. И. Дяченко, В.Ю Таренков, В. Н. Криворучко. Переход Березинского — Костерлица – Таулеса в 3D нанокомпозитах сверхпроводник – ферромагнетик MgB2:(La,Sr)MnO3. .ФНТ 45, #11, p.1360-1365 (2019); https://doi.org/10.1063/10.0000047
  3. V.N. Krivoruchko, A.S. Savchenko, V.V. Kruglyak. Electric field control of spin-wave power flow and caustics in thin magnetic films. Phys. Rev. B. – 2018. – Vol. 98. – Р. 024427.
  4. В.Н. Криворучко, Е.А. Кошина.  Эффекты близости в структурах многозонный сверхпроводник–ферромагнитный метал. ФНТ. – 2017. – Т. 43, № 5. – С. 754-763.
  5. V.N. Krivoruchko. Longitudinal spin dynamics in ferrimagnets: Multiple spin wave nature of longitudinal spin excitations Phys. Rev. B. – 2016. – Vol. 94, № 5. – Р. 054434 (13).
  6. Yan Beygelzimer, Roman Kulagin, Peter Fratzl, Yuri Estrin. Earth’s Lithosphere Inspires Materials Design. Advanced Materials (2020) https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202005473
  7. R Kulagin, Y Beygelzimer, Y Estrin, A Schumilin, P Gumbsch. Architectured Lattice Materials with Tuneable Anisotropy: Design and Analysis of the Material Property Space with the Aid of Machine Learning. Advanced Engineering Materials. (2020). https://doi.org/10.1002/adem.202001069
  8. D. Orlov, R. Kulagin, Y. Beygelzimer. Strain partitioning and back-stress evaluation in harmonic-structure materials, Materials Letters (2020), https://doi.org/10.1016/j.matlet.2020.128126
  9. Lapovok, R., Popov, V.V., Qi, Y., Kosinova, A., Berner, A., Xu, C., Rabkin, E., Kulagin, R., Ivanisenko, J., Baretzky, B., Prokof’eva, O.V., Sapronov, A.N., Prilepo, D.V. and Beygelzimer. Y. 2020, Architectured hybrid conductors: Aluminium with embedded copper helix, Materials and Design, vol. 187, pp. 1-17, doi:10.1016/j.matdes.2019.108398.
  10. Yuri Estrin, Yan Beygelzimer, Roman Kulagin. Design of Architectured Materials Based on Mechanically-Driven Structural and Compositional Patterning.  Advanced Engineering Materials, V. 21, Issue 9, 2019, Article number 1900487
  11. V. Beloshenko, Iu. Vozniak, Y. Beygelzimer, Y. Estrin and R. Kulagin. Severe Plastic Deformation of Polymers. Materials Transactions, Vol. 60, No. 7 (2019) pp. 1192 to 1202
  12. Viet Q. Vu, O.Prokof’eva, L.S.Toth, V.Usov, N.Shkatulyak, Y.Estrin, R.Kulagin, V.Varyukhin, Y.Beygelzimer. Obtaining hexagon-shaped billets of copper with gradient structure by twist extrusion. Materials Characterization 153 (2019) 215–223
  13. Y. Beygelzimer, R. Kulagin, Y. Estrin. Severe Plastic Deformation as a Way to ProduceArchitectured Materials. In the book: Architectured Materials in Nature andEngineering, Editors: Estrin, Y., Bréchet, Y., Dunlop, J., Fratzl, P. (Eds.), Springer Series in Materials Science. Springer Nature Switzerland AG 2019, P. 231-255
  14. R. Kulagin, Y. Beygelzimer, A. Bachmaier, R. Pippan, Y. Estrin. Benefits of pattern formation by severe plastic deformation. Applied Materials Today 15 (2019) 236–241 https://doi.org/10.1016/j.apmt.2019.02.007
  15. R. Kulagin, A. Mazilkin, Y. Beygelzimer, D. Savvakin, I. Zverkova, D. Oryshych, H. Hahn. Influence of High Pressure Torsion on structure and properties of Zr-Ti-Nb alloy synthesized from TiH2, ZrH2 and Nb powders, Materials Letters, V. 233, 2018, Pages 31-34.
  16. Viet Q. Vu, Yan Beygelzimer, Roman Kulagin and Laszlo S. Toth. Mechanical Modelling of the Plastic Flow Machining Process, Materials, 2018, V.11, N7, 1218; https://doi.org/10.3390/ma11071218
  17. R. Kulagin, Y. Beygelzimer, Yu. Ivanisenko, A. Mazilkin, B. Straumal, H. Hahn. Instabilities of interfaces between dissimilar metals induced by high pressure torsion, Materials Letters 222 (2018) 172–175
  18. Viet Q. Vu, Yan Beygelzimer, Laszlo S. Toth, Jean-Jacques Fundenberger, Roman Kulagin, Cai Chen. The plastic flow machining: A new SPD process for producing metal sheets with gradient structures, Materials Characterization 138 (2018) 208–214
  19. Y. Estrin, R. Kulagin, Y. Beygelzimer. Think big, manufacture small: microfabrication on a desktop by severe plastic deformation. Materials Today (2018).  Connecting the materials community. https://www.materialstoday.com/surface-science/comment/think-big-manufacture-small/
  20. VA Beloshenko, YE Beygelzimer, Yu V Voznyak, BM Savchenko, V Yu Dmitrenko. Reinforcing effect caused by equal channel multiple angular extrusion of polymers manufactured by the FDM process: Experimental investigation and mathematical modeling. J. Appl. Polym. Sci. 2018, 135, 45727
  21. Reshetov, A., Kulagin, R., Korshunov, A., & Beygelzimer, Y. (2017). The Occurrence of Ideal Plastic State in CP Titanium Processed by Twist Extrusion. Advanced Engineering Materials, 20(5), 1700899. doi:10.1002/adem.201700899
  22. Roman Kulagin, Yan Beygelzimer, Yulia Ivanisenko, Andrej Mazilkin. Horst Hahn. Modelling of High Pressure Torsion using FEM. Procedia Engineering 207 (2017) 1445–1450
  23. Y. Beygelzimer, R. Kulagin, Y. Estrin, L. S. Toth, H. Se. Kim, M. I. Latypov. Twist Extrusion as a Potent Tool for Obtaining Advanced Engineering Materials: A Review». Advanced Engineering Materials, (2017) V.19, Issue 8 http://dx.doi.org/10.1002/adem.201600873
  24. Beygelzimer, Y., Varyukhin, V., Kulagin, R. and Orlov, D (2017) ‘Twist Extrusion’ in Severe Plastic Deformation Technology, Rosochowski, A. (ed.), pp. 202–234, Whittles Publishing, Dunbeath, Scotland.
  25. R. Kulagin, Y. Zhao, Y. Beygelzimer, Laszlo S. Toth. Michail Shtern. Modeling strain and density distributions during high pressure torsion of pre-compacted powder materials. Materials Research Letters, 2017, V.5, N. 3, 179–186