Відділ теорії металічного стану (02) було створено у 2016 р. шляхом реорганізації відділу теорії твердого тіла (06) і відділу теорії неідеальних кристалів (04).
Відділ теорії твердого тіла було створено у 1950 р. (тоді — теоретичний відділ, а у 1955–1974 рр. — відділ теоретичної (метало)фізики) акад. АН України, д.ф.-м.н., проф. Адріаном Анатолійовичем Смирновим, який керував ним від дня заснування і до 1987 р. Від 1987 р. і до 2014 р. відділом керував чл.-кор. НАН України, д.ф.-м.н., проф. Вадим Борисович Молодкін, у 2014–2015 рр. — д.ф.-м.н., проф. Ганна Іванівна Низкова, а у 2015–2016 рр. — д.ф.-м.н., проф. Валентин Андрійович Татаренко (нині — чл.-кор. НАН України).
Відділ теорії неідеальних кристалів було засновано у 1964 р. (тоді — лабораторія неідеальних кристалів) під керівництвом чл.-кор. АН УРСР, д.ф.-м.н., проф. Михайла Олександровича Кривоглаза, який завідував ним до 1988 р. Упродовж 1991–1993 рр. завідувачем відділу був д.ф.-м.н., проф. Віктор Федорович Лось, а від 1994 р. до 2016 р. — д.ф.-м.н., проф. Михайло Олексійович Іванов.
У 2016–2021 рр. новостворений відділ теорії металічного стану очолював д.ф.-м.н., проф. М.О. Іванов. У 2021 р. завідувачем відділу теорії металічного стану був обраний д.ф.-м.н., с.н.с. Тарас Михайлович Радченко.
Напрями наукової роботи відділу головним чином пов'язано з розвитком теорії неідеальних твердих тіл (кристалів з дефектами, стопів, аморфних тіл, наномасштабних систем тощо), теоретичних основ методів дослідження недосконалостей кристалів і націлено на з'ясування фізичних (квантових, електронних, електромагнетних, транспортних, термодинамічних, механічних тощо) властивостей найрізноманітніших типів недосконалих кристалів і аморфних тіл різної вимірности та розмірів, зі структурним і динамічним безладами, які широко використовуються в фізиці та технологіях.
А.А. Смирнов і М.О. Кривоглаз разом внесли істотний внесок у розвиток теорії властивостей стопів, що впорядковуються. Їхні спільні дослідження викладено в монографії «Теория упорядочивающихся сплавов» (1958 р.), яка стала класичною працею в цій області фізики. Створену ними теорію упорядкування стопів заміщення за високих тисків і теорію взаємного впливу двох кооперативних явищ, — атомового та спінового впорядкувань (у феро- й антиферомагнетиках), — що уможливила виявити ряд ефектів, зокрема, особливості діяграм стану, пов'язані із взаємним впливом атомового порядку та магнетизму компонентів у стопах, зміну температури та роду фазового перетворення за екстремальних умов високих тисків тощо (В.В. Гейченко, В.М. Даниленко, О.К. Канюка, В.І. Рижков, Д.Р. Різдвянецький, А.А. Смирнов), пізніше було удосконалено врахуванням далекосяжности міжатомових взаємодій (за методами флюктуаційних хвиль і статичних концентраційних хвиль) та поширено на стопи заміщення–втілення, магнетні компоненти яких характеризуються довільними спіновими числами (Т.М. Радченко, В.А. Татаренко). А запропонована А.А. Смирновим, непов'язана з псевдокристалічним наближенням теорія дифузії та в'язкости в простих рідинах привела до встановлення нового виду залежностей коефіцієнтів самодифузії та в'язкости від температури та зовнішнього тиску (А.А. Смирнов, В.А. Татаренко), що відповідає експериментальним даним для рідин шляхетних елементів і металевих рідин. Важливим напрямом наукової роботи був розвиток теорії дефектів кристалічної ґратниці та вивчення їхнього впливу на міцнісні властивості кристалів.
М.О. Кривоглаз спільно з А.А. Смирновим розробили новий метод дослідження форми поверхні Фермі в металах і стопах, заснований на вивченні кутового розподілу квантів, що утворюються при анігіляції позитронів з електронами провідности у монокристалічних зразках. При використанні цього методу не потрібні магнетні поля, низькі температури та висока чистота матеріялу. Цим він вигідно відрізняється від багатьох загальновідомих методів і тому успішно застосовувався в експериментальних дослідженнях.
Велику увагу було приділено розвитку молекулярно-кінетичної та термодинамічної теорії металів і стопів. М.О. Кривоглаз і А.А. Смирнов вперше побудували теорію дифузії в стопах, що упорядковуються. Вони передбачили ряд нових ефектів, пов'язаних із впливом впорядкування атомів на їхню дифузію; ці ефекти було виявлено експериментально в Росії, США, Польщі. Також розвинуто теорію розпаду стопів, що містять домішки на вузлах і у міжвузловинах кристалічної ґратниці. Розроблено метод точок розгалуження кривої рівноваги, за допомогою якого можна досліджувати фазові перетворення типу лад–безлад і лад–лад у стопах із кількома фазовими переходами та передбачати типи надструктур, що виникатимуть (В.В. Гейченко, А.А. Смирнов).
А.А. Смирнов вперше побудував послідовну молекулярно-кінетичну теорію стопів вилучення, пояснив основні експериментально спостережувані особливості структурних і термодинамічних характеристик цього класу стопів.
Основи численних напрямів діяльности заклав визначний фізик-теоретик М.О. Кривоглаз. З його ім'ям пов'язано низку видатних досягнень у галузі фізики твердого тіла. Він виконав багато першокласних наукових робіт, передбачив ряд нових ефектів, створив нові наукові напрями, які на довгі роки визначили рівень досягнень світової науки та лишаються актуальними і понині.
Безумовним і загальновизнаним лідером М.О. Кривоглаз був у теорії розсіяння Рентґенових променів і теплових нейтронів реальними кристалами. Його роботи заклали основи плідного розвитку цієї области фізики. Вони успішно розробляються та використовуються дотепер теоретиками й експериментаторами. Виконані М.О. Кривоглазом роботи описують широке коло явищ, пов'язаних з розсіянням Рентґенових променів кристалами, що містять дефекти різних типів із різними видами їхніх розподілів. Його підходи успішно розвиваються та використовуються дотепер як теоретиками, так і експериментаторами. Виходячи з вигляду дифракційної картини та характеру дифузного розсіяння, до яких приводять дефекти, було запропоновано нову систематику дефектів у кристалах, що є нині загальноприйнятою. Більшість передбачених М.О. Кривоглазом ефектів було виявлено експериментально; вони широко використовуються при дослідженні неідеальних кристалів. Розвинуто методи дослідження близького порядку та параметрів міжатомової взаємодії в розчинах (Krivoglaz–Clapp–Moss Theory). Результати цих досліджень стали основою нових потужних методів вивчення дефектів кристалічної ґратниці, методів визначення параметрів структурних дефектів у деформованих кристалах і технологічної характеризації недосконалостей кристалів. Він розвинув метод флюктуаційних хвиль, що дав змогу описати широке коло явищ, пов'язаних з розсіянням Рентґенових променів кристалами, які містять дефекти практично всіх типів.
Значний внесок у розвиток теорії розсіяння Рентґенових променів деформованими кристалами внесли також й інші співробітники, у першу чергу, К.П. Рябошапка. Можна відзначити його роботи в області аналізи дифракційної картини розсіяння у кристалах, що містять прямолінійні дислокації та дислокаційні диполі, розщеплені дислокації, дислокаційні стінки, дислокаційні та дисклінаційні структури ротаційного типу, а також неоднорідно розподілені дислокації біля поверхні та в об'ємі кристалу.
Було виконано великий цикл робіт стосовно вивчення положення, ширини та форми ліній у перерізі непружнього розсіяння нейтронів (М.О. Кривоглаз, М.О. Іванов, В.Ф. Лось та ін.), теорії критичного розсіяння Рентґенових променів і нейтронів деформованими кристалами (І.М. Дубровський, М.О. Кривоглаз), а також впливу різного роду дефектів на ширину та форму тіньової картини (М.О. Іванов, Л.Б. Квашніна). Багато робіт стосовно розсіяння Рентґенових променів й інших видів випромінення виконано разом із експериментаторами, а також учнями М.О. Кривоглаза, що працюють у різних наукових установах і закладах освіти в Україні й інших країнах.
М.О. Кривоглазом було побудовано теорію хвиль статичних зміщень, що уможливила знаходити поля деформацій навколо довільного типу дефектів кристалічної ґратниці, розроблено теорію істотно нової сукупности дефектів — комплексій. Показано, що в сильно анізотропних кристалах істотними є ефекти просторової дисперсії, що приводять до зміни звичайних рівнянь теорії пружности для полів зміщень, створюваних дефектами ґратниці. Досліджено дифузійний рух пор і включень у кристалах у різних зовнішніх полях та взаємодію їх із межами зерен і дислокаціями. Це дало змогу М.О. Кривоглазу, М.Є. Осиновському та К.П. Рябошапці запропонувати теорії крипу, рекристалізації гетерогенних систем, коалесценції пор і ряду інших явищ, що мають важливі практичні застосування.
М.О. Іванов разом з Б.А. Ґрінберґ із Інституту фізики металів РАН (м. Єкатеринбурґ) розробили нову комбіновану феноменологічну та мікроскопічну теорію пластичної деформації кристалів із урахуванням дії декількох дислокаційних систем і дислокаційних перетворень, що уможливила пояснити експериментальні дані, які стосуються пластичної деформації інтерметалідів.
Принципове значення для теорії твердого тіла має проведена М.О. Кривоглазом аналіза електронних станів у системах із легко змінними параметрами середовища (у розчинах, магнетиках, системах, що перебувають поблизу точки фазового переходу). Показано, що флюктуації параметрів середовища можуть приводити до утворення нового типу зв'язаних станів електронів — флюктуонів. При значних концентраціях електронів можуть виникати термодинамічно рівноважні стани, що містять упорядковані і невпорядковані області (М.О. Кривоглаз, А.І. Карасевський, Б.В. Єгоров). Для металевих стопів розроблено квантову теорію рівноважних гетерогенних станів, зумовлених особливостями поверхні Фермі. Використовуючи цю теорію, М.О. Кривоглаз пояснив експериментальні дані, що стосуються будови близького порядку в стопах. Спільно з Д.А. Вулем було показано, що в металах із пласкими ділянками поверхні Фермі можуть виникати довгоперіодні гетерогенні структури.
Значне місце в діяльності займала побудова теорії спектрів елементарних збуджень і їхніх релаксаційних характеристик для неідеальних кристалів. Основи цього напряму також були закладені М.О. Кривоглазом, який одним з перших у світовій науці використовував із цією метою методику двочасових температурних Ґрінових функцій. Уперше було знайдено згасання фононів і магнонів із різними хвильовими векторами та для різних значень температури з урахуванням взаємодії елементарних збуджень одне з одним і розсіяння їх на дефектах ґратниці.
І.М. Дубровським було вивчено динаміку й енергетичні спектри квазичастинок (електронів провідности та фононів) у деформованій ґратниці, що містить топологічні дефекти — дислокації, і виявлено нові типи локалізованих станів для таких систем.
Детально розглянуто динаміку локальних і квазилокальних коливань, а також локалізованих спінових збуджень, що утворюються у кристалі поблизу точкових дефектів, водночас із великим колом явищ, які зумовлені цими збудженнями (непружнє розсіяння нейтронів, поглинання ІЧ-випромінення, Мессбауерів ефект, ФМР, ЯМР, термодинаміка неідеальних кристалів тощо). Запропоновано ряд нових механізмів релаксації локалізованих збуджень (у першу чергу, модуляційний), які згодом одержали численні експериментальні підтвердження. Передбачено ефекти аномально сильного впливу локалізованих збуджень на ширину спектральних ліній і релаксацію елементарних збуджень (М.О. Іванов, М.О. Кривоглаз, В.Ф. Лось, Л.Б. Квашніна).
М.І. Дикману, М.О. Кривоглазу та В.Ф. Лосю вдалося одержати повний розв'язок задачі про нелінійний осцилятор (домішковий атом або домішковий спін, які взаємодіють із середовищем). Розроблено метод супероператорів для опису динаміки малих підсистем, що взаємодіють із термостатом (В.Ф. Лось).
Запропоновано метод кластерних розвинень для Ґрінових функцій неідеальних кристалів, за допомогою якого розроблено теорію колективної перебудови спектрів елементарних збуджень кристалів із домішковими атомами великого радіюса (М.М. Ботвинко, М.О. Іванов, Ю.Г. Погорєлов). Передбачені ефекти одержали повне підтвердження в роботах кількох експериментальних груп. Цей же метод М.О. Іванов і Ю.В. Скрипник використали для аналізи перебудови спектрів одно- та двовимірних систем.
В.Ф. Лось розробив метод проєкційного оператора в теорії спектрів неупорядкованих систем. За допомогою цього методу було одержано кінетичне рівняння, що уможливлює проаналізувати Андерсонову локалізацію електронів у неупорядкованих системах. Ним же разом із С.П. Репецьким (з Київського національного університету імені Тараса Шевченка) запропоновано методи розрахунків електронного енергетичного спектру, електропровідности стопів з урахуванням інтерференції розсіяння електронів на різних атомах і статистичних кореляцій у розташуванні атомів стопу. В рамках цього методу, який є розвитком методу когерентного потенціялу, досліджено електронну структуру й електропровідність стопів, що впорядковуються.
Розглянуто ефекти лазерної ґенерації магнонів домішковими атомами (Ю.В. Корнюшин, В.Ф. Лось разом із співробітником Інституту фізики АН УРСР В.С. Машкевичем), а також «надвипромінювання» магнонів домішковими атомами (В.Ф. Лось).
При розгляді важливої для теорії твердого тіла проблеми полярону вирішено задачі коректного обчислення низькотемпературної рухливости полярону, що взаємодіє з фононами, (В.Ф. Лось) і магнетного полярону при довільному значенні параметра електромагнетної взаємодії (Б.В. Єгоров).
Вивчено велике коло явищ, пов'язаних із присутністю у кристалах Ян–Теллерових домішкових центрів і випадкових деформаційних полів. Показано, що для цих та інших типів центрів, які переорієнтовуються, має місце температурна залежність різних термодинамічних величин, характерна для склоподібних речовин (М.О. Іванов разом із співробітниками Інституту металурґії РАН А.Я. Фішманом і В.Я. Митрофановим). Багато із цих ефектів було виявлено експериментально.
Велику увагу приділяли одному з найактуальніших в останнє півстоліття розділу фізики твердого тіла, що має одночасно велике практичне значення, — теорії фазових переходів. І М.О. Кривоглаз зробив значний внесок у теорію впорядкування стопів. Він істотно розвинув теорію Ландау критичного розсіяння променів поблизу точок фазових переходів, передбачив ефект придушення критичних флюктуацій за дії далекосяжних «дипольних» сил. М.О. Кривоглазом спільно з акад. АН СРСР В.Д. Садовським було проаналізовано вплив сильних магнетних полів на фазові перетворення у кристалах й одержано формулу, відому в металознавстві як «формула Кривоглаза–Садовського».
Велике значення для становлення теорії критичних індексів мало також дослідження М.О. Кривоглазом критичних флюктуацій у полярних кристалах, які формально є аналогом чотировимірних систем.
І.М. Дубровський і М.О. Кривоглаз проаналізували характер фазових переходів другого роду в кристалах, що містять дислокації, та в інших системах з великомасштабними неоднорідностями. Запропонована ними ідея про фазовий перехід у нескінченному кластері впорядкованих областей уможливила пояснити звичайно спостережуване експериментально розмиття фазових переходів другого роду.
Було запропоновано пояснення виявлених експериментально особливостей метастабільних мартенситних перетворень у сильно деформованих стопах і впливу магнетного поля на мартенситні перетворення. На основі теоретично передбаченого механізму внутрішнього тертя у двофазних системах було розроблено новий метод досліджень фазових перетворень (М.О. Кривоглаз).
Великий цикл робіт з вивчення кристалізації евтектичних стопів було виконано Б.В. Єгоровим разом із експериментаторами ІМФ АН України.
Після відкриття високотемпературної надпровідности (ВТНП) було проведено цикл досліджень з фізики ВТНП. М.О. Іванов і Ю.Г. Погорєлов разом із співробітниками відділу спектроскопії твердого тіла ІМФ АН України (В.В. Немошкаленко, Б.Г. Нікітін, О.А. Кордюк та ін.) установили, що для надпровідників II роду в комбінованих ґравітаційному та магнетному полях має місце неперервна область точок рівноваги, та вивчили динаміку поведінки таких систем. Було вивчено спектри домішкових станів і особливості магнетних фазових діяграм для різних ВТНП-сполук (М.О. Іванов, Ю.Г. Погорєлов разом із співробітником Інституту теоретичної фізики АН України В.М. Локтєвим — нині акад. НАН України). Проводилося теоретичне дослідження спектральних і термодинамічних властивостей речовин на основі кристалів, що складаються із молекул фуллерена (М.О. Іванов, В.М. Локтєв).
Останніми роками основні напрями досліджень стосувалися: спектрів елементарних збуджень і властивостей неідеальних кристалів і низьковимірних систем, в тому числі на графеновій основі, та нещодавно відкритих двовимірних матеріялів; електронних станів сильно корельованих низьковимірних квантових систем; термодинаміки та фазових перетворень неідеальних кристалів і наномасштабних систем, матеріялів і структур на їхній основі; процесів структурно-фазової самоорганізації у нерівноважних системах; еволюції дислокаційної структури та процесів пластичної деформації у кристалах при сильних зовнішніх впливах.
Вагомий внесок зроблено у дослідження електронних спектрів графенових шарів з домішками малого радіюса. Ю.В. Скрипником було визначено положення порогу рухливости в системах різної вимірности. У співпраці з акад. НАН України В.М. Локтєвим (Інститут теоретичної фізики ім. М.М. Боголюбова НАН України) ним було досліджено вплив домішок на графенові електронні властивості: проаналізовано особливості перебудови його спектру, зумовлені як лінійним законом дисперсії енергій електронів поблизу рівня Фермі в цьому матеріялі, так і його двовимірністю; показано, що електронні стани поблизу нодальної точки в електронному спектрі є локалізованими. Ю.В. Скрипником на основі теоретичних досліджень було запропоновано цілеспрямоване створення в графенових кристалах контрольованої кількости різного типу дефектів, що уможливлює змінювати графенові електронні властивості відповідно до особливостей конкретного технічного застосування цих матеріялів.
Традиції дослідження впливу конфіґурацій дефектів на розсіяння різного типу хвиль (зокрема, електронних) у кристалах, започатковані А.А. Смирновим і М.О. Кривоглазом, було продовжено в роботах Т.М. Радченка, В.А. Татаренка з колеґами із Київського національного університету імені Тараса Шевченка із вивчення структуроутворення, термічних та електротранспортних властивостей функціоналізованих графенових систем. В цих роботах вперше передбачено можливі впорядковані розподіли домішкових атомів по вузлах і міжвузловинах графенової ґратниці, визначено області значень енергетичних параметрів міжатомових взаємодій, яким відповідає (низькотемпературна) стабільність надструктур заміщення та втілення на графеновій основі, виявлено ефекти кореляції та впорядкування в розподілі точкових (домішкові атоми, вакансії) та лінійних (межі зерен, атомарні сходинки, дислокації) дефектів у графеновій ґратниці за окремої або одночасної присутности їх у ній.
З використанням власноруч розробленого програмного пакету для розрахунку електротранспортних властивостей графенових зразків реалістичних розмірів виявлено, що просторові розподіли їхніх точкових дефектів (домішкових (ад)атомів, вакансій та їхніх комплексів) можуть спричиняти низку ефектів: змінювати тип основних носіїв струму, індукувати заборонену зону в їхньому енергетичному спектрі, істотно модифікувати вигляд електронно-концентраційної залежности електропровідности, поліпшувати функціональність графенового шару, змінюючи електропровідність у десятки разів, посилювати чи послаблювати (й навіть повністю пригнічувати) асиметрію в електронній і дірковій провідностях. В найреалістичнішому випадку наявности в графеновому шарі, окрім точкових дефектів, ще й лінійних (нанобрижів, атомарних сходинок і/або терас) може, поряд із зміною вигляду електронно-концентраційної залежности провідности, виявлятися ряд нових ефектів: підвищуватися електропровідність у декілька разів за орієнтаційної кореляції лінійних дефектів або в сотні разів у випадку ще й упорядкування точкових, посилюватися анізотропія електропровідности та протидія чи, навпаки, сприяння електронно-дірковій асиметрії, яку спричиняють точкові дефекти (Т.М. Радченко, В.А. Татаренко з колеґами з Київського національного університету імені Тараса Шевченка, Лінчьопінґського університету та Технічного університету Копенгаґену).
Показано, що впорядкування точкових дефектів може відкривати заборонену зону в графеновому енергетичному спектрі, поліпшувати графенову електропровідність в десятки (10–30) разів, а орієнтаційна кореляція лінійних дефектів може підвищувати провідність в 4–5 разів, тобто за одночасної присутности обох типів дефектів впорядкування одних і кореляція інших можуть поліпшувати графенову провідність в сотні разів у порівнянні з їх випадковим орієнтаційно-просторовим розподілом (за тих же потенціялів розсіяння електронів) (Т.М. Радченко, В.А. Татаренко з колеґами із Київського національного університету імені Тараса Шевченка).
Дослідженням чисельними методами впливу на електронну структуру графенового шару одночасної дії перпендикулярного зовнішнього магнетного поля, одновісної деформації розтяганням і невпорядкованих дефектів було виявлено особливості на кривій густини електронних станів в околі так званих енергетичних рівнів Ландау. З'ясовано, що при розтяганні графенового шару вздовж будь-якого напрямку (нееквідистантні) рівні Ландау зміщуються до нульового рівня (незміщеного за будь-яких значень відносної деформації). Одночасний вплив перпендикулярного магнетного поля й одновісного розтягання графенового шару вздовж «зиґзаґового» напрямку сприяє наявності в його енергетичному спектрі забороненої зони: щілина стає виразнішою та навіть ширшою за утворену лише завдяки «зиґзаґовому» розтяганню. Також з'ясовано, що наявність точкових або лінійних дефектів у графеновому шарі понижує піки Ландау, розмиває їх і може навіть повністю пригнітити, залежно від вмісту дефектів, їхньої розсіювальної «потужности» й ефективного радіюса їхньої дії (Т.М. Радченко, В.А. Татаренко з колеґами із Київського національного університету імені Тараса Шевченка).
Задля усунення протиріч, виявлених у науковій літературі щодо впливу різних механічних деформацій на електронні та транспортні властивості графенового шару, зокрема, на можливість утворення забороненої зони в його електронному енергетичному спектрі, проведено чисельні розрахунки кривих густини електронних станів для великого сімейства деформацій розтяганням, зсувом та їхніх комбінацій. Встановлено, що неруйнівні деформації зсувом можуть спричиняти щілину шириною до 3 еВ, а комбіновані деформації (зсувом і розтяганням) — аж до 6 еВ. Такі надзвичайні значення енергетичної щілини в графеновій електронній зонній структурі істотно перевищують відповідні значення як для кремнійових матеріялів, так і для інших матеріялів мікро- та наноелектроніки. Чисельно розраховані діяграми заборонених зон було порівняно з іншими теоретичними (розрахованими аналітично та чисельно з перших принципів) результатами, було зазначено можливі причини того, що у деяких експериментальних міряннях з деформованими полікристалічними графеновими зразками заборонена зона (транспортна щілина) взагалі не спостерігалася, та запропоновано способи усунення цієї проблеми (Т.М. Радченко, В.А. Татаренко з колеґами із Київського національного університету імені Тараса Шевченка та Дрезденського технічного університету).
Проведено теоретичне дослідження електронного спектру і ядерного магнетного резонансу в металах, що містять дислокації, а також виконано детальну статистично-механічну аналізу діямагнетизму взаємодійного електронного газу (І.М. Дубровський).
І.М. Карнауховим спільно із Н. Андреї (Ратґерський університет, Піскатевей, США) та А.А. Овчинниковим (Об'єднаний Інститут хемічної фізики РАН, Москва) було запропоновано концепцію сильно взаємодійної Латтінжерової рідини. Показано, що внаслідок сильної електрон-електронної взаємодії в таких системах функція розподілу заповнених електронних станів в імпульсному представленні не має особливостей на поверхні Фермі. Було знайдено точні розв'язки для ряду квантових моделів із «цупким» відштовхувальним потенціялом і показано, що і для таких систем при високій густині електронів реалізується стан сильно взаємодійної Латтінжерової рідини. Одержані результати уможливили пояснити ряд експериментальних даних, що стосуються органічних провідників і вуглецевих нанотрубок. І.М. Карнауховим було також розглянуто цілу низку точно розв'язуваних спінових моделів із топологічними фазовими станами. У таких системах реалізуються фази з різним калібрувальним полем симетрії, а фазові переходи між цими станами супроводжуються фундаментальною перебудовою спектру Майоранових ферміонів. Останніми роками І.М. Карнауховим досліджено топологічні стани та Голлову провідність в рамках Хофштадтерового моделю на ґратниці перовськітового виду та ґратниці Ліба.
А.Б. Шевченко дослідив квантові ефекти (тунелювання, надбар'єрне відбивання, осциляції), що мають місце для нанорозмірних елементів внутрішньої структури доменних стінок (вертикальні Блохові лінії та точки) у феромагнетних плівках із сильною одновісною магнетною анізотропією. Визначено умови реалізації цих явищ. Вивчено вплив зовнішніх чинників на квантову динаміку структурних топологічних наноутворень, — Блохових ліній і точок, — у магнетних і сеґнетоелектричних доменних стінках. На основі квантових властивостей пари однополярних вертикальних Блохових ліній у доменній стінці смугового магнетного домену А.Б. Шевченко запропонував новий тип комірки пам'яті «біт + кубіт» для перспективного запам'ятовувального пристрою з гібридною формою запису інформації.
А.І. Карасевським встановлено фізичні механізми, які визначають залежність термодинамічних властивостей нанокристалічних матеріялів від їхнього розміру, і на цій основі запропоновано способи цілеспрямованого створення нанокристалів із заданими термодинамічними й іншими фізичними характеристиками. Для цього А.І. Карасевський і В.В. Любашенко розробили самоузгоджений статистично-термодинамічний опис рівноважної структури кристалів і їхніх термодинамічних властивостей у широкій області температур і тисків. Зокрема, було показано, що топлення твердих тіл пов'язане з розвитком ангармонічної нестійкости коливної підсистеми кристалу. При наближенні до точки нестійкости нелінійно зростають тепломісткість, теплове розширення ґратниці, середньоквадратичне зміщення атомів тощо. Різко понижується енергія утворення структурних дефектів кристалу, внаслідок чого стрімко зростає концентрація дефектів і руйнується кристалічний порядок, що і є причиною топлення (структурного розупорядкування) кристалу. Розроблений модель було успішно використано А.І. Карасевським і В.Б. Хольцапфелем для опису термодинамічних властивостей кристалів інертних елементів за високих тисків. Такий статистично-термодинамічний спосіб було поширено А.І. Карасевським і В.В. Любашенко на опис теплових властивостей і фазових станів нанокристалів. Встановлено, що розмірне квантування коливних мод нанокристалу приводить до розмірнозалежного тиску фононного газу у нанокристалі, що істотно впливає на термодинамічні характеристики та температури фазових перетворень нанорозмірної речовини.
О.Б. Мельником розроблено спосіб оцінювання стабільности заряджених металічних наночастинок у зовнішньому електричному полі. Ці результати можуть бути використані для оптимізації режимів одержання порошків шляхом електричного вибуху.
О.Б. Мельник і В.К. Сульженко розробили метод проєктування стійких багатокомпонентних твердих розчинів з використанням термодинамічних, механічних і топологічних параметрів складових елементів. Стопи на основі таких елементів як W, Ta, Mo, Nb, V, Ti, Zr, Hf і Cr досліджувалися за допомогою цього підходу. Автори одержали оптимальні склади для стопів з високою ентропією й описали вплив різних чинників на утворення стійких стопів. Вони показали, що найбільш стійкі стопи мають нееквіатомні співвідношення компонентів.
М.О. Івановим, В.С. Молодідом і Ю.В. Скрипником було проведено чисельне моделювання та розрахунок коливних спектрів невпорядкованих бінарних лінійних ланцюжків макроскопічного розміру (до 10 мільярдів атомів) при довільних співвідношеннях між параметрами компонентів. Показано, що в області локальних мод частотний спектер коливань має ієрархічну фрактальну структуру та зберігає самоподібний характер при зміні масштабу частоти на понад 10 порядків. Усередині ж области неперервного спектру з'являються серії резонансних особливостей, положення яких визначаються енергіями коротких ланцюжків атомів одного сорту та не залежать від концентрації компонентів.
М.О. Іванов разом із колеґами з Інституту фізики металів УрВ РАН запропонував нові фізичні механізми, які зумовлюють зчеплення різнорідних матеріялів при зварюванні вибухом, зокрема, через фраґментацію типу подрібнення. На цій основі запропоновано розширити сферу застосування такого зварювання для зчеплення різних матеріялів, незалежно від їхньої взаємної розчинности.
Також М.О. Івановим у співпраці з Інститутом фізики металів УрВ РАН на основі експериментальних і теоретичних досліджень особливостей пластичної деформації високотемпературних інтерметалідів типу Ni3Al та TiAl, зокрема, аномально зростальної температурної залежности межі плинности й ефекту автоблокування дислокацій, запропоновано використання таких матеріялів у різних галузях техніки.
Для дослідження широкого класу необоротніх кінетичних процесів М.О. Івановим було розроблено новий підхід щодо розгляду явищ самоорганізації. В основі цього підходу лежать певного типу екстремальні принципи, саме згідно з якими система із широкого кола можливих шляхів розвитку вибирає той чи інший оптимальний шлях. За допомогою такого підходу вдалося пояснити цілу низку явищ, зокрема, закономірності утворення нанодисперсних частинок при анодному розчиненні стопу AuAg.
В.І. Глущенко спільно з М.О. Івановим виконав теоретичні дослідження особливостей руху міжфазних меж і зростання проміжних фаз у двокомпонентних твердих або рідких розчинах із врахуванням міжфазного та дифузійного транспортів обох компонентів. Було запропоновано нові межові умови для рівнянь дифузії в таких системах і розглянуто різні випадки руху міжфазної межі та ріст проміжних фаз у бінарних розчинах.
В.А. Добринським було вивчено властивості конкретних динамічних систем різних класів; розглядалися питання, пов'язані з біфуркаціями фазового портрету динамічних систем та умовами появи стійких хаотичних режимів, процесами синхронізації та самоорганізації.
Учнями А.А. Смирнова вперше проведено геометрично повні симетрійно-конфіґураційну та статистично-термодинамічну аналізи, на підґрунті яких встановлено всі можливі типи термодинамічно стійких до антифазних зсувів надструктур втілення на основі щільнопакованих ГЦК- та ГЩП-ґратниць (В.М. Бугаєв, В.А. Татаренко, Р.В. Чепульський), а також короткоперіодних надструктур заміщення та втілення на основі щільникової ґратниці (Т.М. Радченко, В.А. Татаренко).
В.А. Татаренко та В.М. Бугаєв розвинули напівфеноменологічну теорію міжатомових взаємодій із урахуванням деформаційно-індукованих ефектів розмірної невідповідности атомів у твердих розчинах на основі металевих кристалів із базисом. В її рамках одержано кількісну інформацію про енергетичні та силові параметри взаємодії атомів C, N, O, H у кристалах багатьох металів II, III, IV, VII і VIII груп (В.А. Татаренко, К.Л. Цинман).
Для широкого ряду скінченних твердих розчинів (зокрема, на основі шаруватих і щільнопакованих кристалів) та нестехіометричних фаз втілення–заміщення металооксидів, субгідридів, нітридів, карбідів, фуллеритів та інварів і пермалоїв за методами статики ґратниці та статичних флюктуаційних хвиль (М.О. Кривоглаза й ін.) розраховано дисперсійні криві (неаналітичних за описом) Фур'є-компонент енергій сумарної взаємодії точкових дефектів втілення або заміщення у кристалах із заданою структурою та ненапруженою поверхнею за допомогою: напівфеноменологічного врахування «деформаційної» (чи то пружньої за природою) міждефектної взаємодії, напівемпіричного оцінювання «(електро)хемічної» (або когезійної за природою) взаємодії втілених йонів (або дефектів заміщення) та модельного обчислення енергетичних параметрів магнетної взаємодії атомів заміщення з довільними спіновими числами (Т.М. Радченко, В.А. Татаренко, К.Л. Цинман з колеґами із Київського національного університету імені Тараса Шевченка).
Досліджено вплив температуро- та концентраційнозалежних магнетних і далекосяжних й анізотропних деформаційно-індукованих і короткосяжних «(електро)хемічних» міжатомових взаємодій на перерозподіл атомів (впорядкування або розшарування) в стопах втілення й заміщення та на їхні теплові й електротранспортні властивості (Т.М. Радченко, В.А. Татаренко).
На основі розрахунків енергетичних параметрів міжатомових взаємодій, статистично-термодинамічної аналізи в поєднанні з результатами досліджень Мессбауерового ефекту, виконаних у відділі фізичних основ леґування сталей і стопів ІМФ (В.Г. Гаврилюк, В.М. Надутов), В.А. Татаренко разом з В.М. Бугаєвим і К.Л. Цинманом дослідив будову та термодинаміку мікронеоднорідностей у ряді леґованих аустенітних сталей.
Проаналізовано адекватність та ефективність прямих і непрямих методів дослідження міжатомової взаємодії та кінетики релаксації близького й далекого порядків у щільнопакованих твердих розчинах заміщення або втілення (Т.М. Радченко, В.А. Татаренко, Р.В. Чепульський).
Виявлено та вивчено ефекти обмежености розмірів і складности (непримітивности) внутрішнього устрою кристалічних структур, а також розмірної невідповідности й «блокування» атомів компонентів та їхнього магнетизму у взаємодії дефектів і термодинаміці й кінетиці утворення надструктур твердих розчинів, що упорядковуються (В.А. Татаренко разом з К.Л. Цинманом і Р.В. Чепульським).
Із використанням статистично-термодинамічних і кінетичних теорій фазових перетворень, що враховують далекосяжність міжатомової взаємодії, запропоновано класифікаційну схему розривів 1-го роду у центрі першої Бріллюенової зони оберненого простору ґратниці розчинника для Фур'є-компонент енергій «змішання» атомів скінченного твердого розчину (В.А. Татаренко).
З'ясовано, що неаналітичний характер оберненопросторового опису енергетичних параметрів статистичної термодинаміки та кінетики упорядкування, спинодального розпаду або ізоструктурного розпаду скінченного твердого розчину спричинений саме калібрувальною відсутністю («виключенням») непрямого, деформаційно-індукованого «самодіяння» розчинених атомів через поля статичних спотворень розчинника (В.А. Татаренко).
В.А. Татаренко та співавтори (В.М. Бугаєв, К.Л. Цинман, Р.В. Чепульський) вперше проаналізували якісні особливості діяграм стану й аномалії в розподілі втілених атомів, пов'язані з температурною залежністю енергетичних параметрів ефективних міжатомових взаємодій у стопах втілення.
Досліджено зумовлені таким же чинником аномалії конфіґураційнозалежних теплових і транспортних властивостей стопів, зокрема, експериментально спостережувану немонотонність коефіцієнта самодифузії атомів Карбону у ГЩП-берилії (В.М. Бугаєв, В.А. Татаренко).
Кількісно досліджено вплив домішки втілення на вміст у кристалі вузлових вакансій, встановлено структурно-ентропійні (зокрема, конфіґураційні) й енергетичні (в тому числі «розмірні») механізми явищ термічно активованих і спонтанних змін переважної локалізації домішкових атомів у кристалі (В.А. Татаренко, В.М. Бугаєв, К.Л. Цинман).
Запропоновано новий, пов'язаний з підвищенням вмісту вакансій (а не з розм'якшенням коливної моди) механізм мартенситного перетворення у гібридних стопах втілення–заміщення, що упорядковуються (В.А. Татаренко, К.Л. Цинман). Наразі цей механізм досліджується з урахуванням магнетного внеску одного з компонентів на прикладі мартенситної фази типу α″-Fe16N2 з унікальними та перспективними магнетними властивостями (К.Г. Левчук, Т.М. Радченко, В.А. Татаренко).
Продемонстровано, що для опису дисипативних модульованих структур (із скінченним і температурозалежним періодом) у розподілі вакансій по кристалу, що опромінюється, необхідно розглядати механізм, який ґрунтується на відкритості та нерівноважності такої системи, а також на нелінійності характеру зв'язків вакансій із оточенням, причому треба застосовувати (послідовне з методичної точки зору) сумісне врахування внесків (непрямої) далекосяжної «деформаційної» взаємодії (зокрема на далеких віддалях пружньої за характером) і домінувальної «прямої», порівняно короткосяжної «(електро)хемічної» взаємодії (в основному когезійної природи на близьких віддалях) у взаємочин зґенерованих вакансій за наявности їхніх стоків дислокаційного типу (О.В. Олійник, В.А. Татаренко з колеґами із Київського національного університету імені Тараса Шевченка).
З використанням статистично-термодинамічної теорії близького атомового порядку та кінематичної теорії розсіяння на ньому і зміщеннях атомів було спрогнозовано картини розподілу значень інтенсивности дифузного розсіяння променів по оберненому простору різних ґратниць скінченних твердих розчинів заміщення та втілення із «вільною» або напруженою поверхнею залежно від симетрії вузлів або міжвузловин (октаедричних чи то тетраедричних) відповідно (В.А. Татаренко разом із К.Л. Цинманом, Р.В. Чепульським і колеґами із Київського національного університету імені Тараса Шевченка). Порівняння цих картин з відповідними експериментальними мапами для тих розчинів уможливлює ідентифікацію місць розташування розчинених атомів того чи іншого сорту у кристалі розчинника заданої структури і діягностику відповідного характеру температурної та й концентраційної залежностей властивостей твердих розчинів (електропровідности, тепломісткости тощо) з урахуванням кінетики релаксації порядку розміщення атомів у них (Т.М. Радченко, В.А. Татаренко).
Досліджено вплив фонон-електронної взаємодії й ангармонізму коливань на спектер частот і плазучість металевих кристалів із гексагональною щільнопакованою ґратницею (В.С. Харченко з колеґами із Київського національного університету імені Тараса Шевченка).
І.М. Мельник, Т.М. Радченко, В.А. Татаренко, а також Є.Г. Лень, В.В. Лізунов і колеґи із Київського національного університету імені Тараса Шевченка виявили вплив змін температури та близького і далекого магнетних порядків на картину розсіяння різного типу (електронних, Рентґенових) хвиль у стопах на основі ОЦК- та ГЦК-ґратниць (у тому числі з сильними міжелектронними кореляціями); з урахуванням магнетизму обох компонентів заміщення виконано параметризацію міжатомових та електронних взаємодій у таких стопах, що впорядковуються, проаналізовано якісні особливості діяграм їхніх фазових станів, в тому числі феро-, антиферо- та феримагнетних.
А.Ю. Наумук і М.О. Іванов розвинули теорію самоорганізації при евтектичній кристалізації та комірковому розпаді твердих розчинів. Вони проаналізували умови виникнення різноманітних структур для стаціонарних процесів евтектичної кристалізації та коміркового розпаду пересичених твердих розчинів. Виконаний розгляд ґрунтується на запропонованому раніше підході, основою якого є порівняння швидкостей зміни вільної енергії, знайдених двома методами, а також певний варіяційний принцип вибору між різними шляхами реалізації таких процесів. При цьому виявляється, що найвигіднішою при заданих зовнішніх умовах є така структура, для якої досягається мінімальне значення добутку сумарної величини поверхневої енергії між утворюваними фазами на структурний фактор процесу, що пропонується в межах такого підходу, причому вигляд останнього істотно залежить від механізму реалізації розділової дифузії (об'ємної або поверхневої).
А.Ю. Наумук і А.І. Карасевський запропонували теоретичний модель формування аморфної фази при гартуванні металевого розтопу. Вони показали, що виникнення значного ґрадієнту температури при гартуванні металевого розтопу приводить до термодифузії дефектів і відтоку їх з об'єму розтопу, що проявляється в істотному зменшенні кількости вільних місць для дифузійного переміщення атомів розтопу. Внаслідок термодифузійного процесу відбувається значна перебудова мікроструктури середовища, яка веде до істотного зростання в'язкости, зменшення коефіцієнта дифузії і питомого об'єму речовини та до зміни механізмів деформації.
Сформульовано необхідні термодинамічні умови формування й оцінено просторовий період «модульованих» структур у макроскопічно однорідному розподілі домішкових частинок в анізотропному мезоморфному середовищі, за появу яких відповідає температурозалежна та далекосяжна непряма взаємодія між домішковими частинками, що спричинюється інтерференцією індукованих статичних полів спотворень директора (В.А. Татаренко з колеґами із Київського національного університету імені Тараса Шевченка).
Наукові результати співробітників відділу (теорії твердого тіла, теорії неідеальних кристалів, а нині теорії металічного стану) відображено у тисячах друкованих праць, серед яких десятки монографій. Кількість цитувань співробітників відділу та його індекс Гірша (https://scholar.google.com/citations?user=WC31EU4AAAAJ) складають вагомий наукометричний внесок у доробок всього Інституту:
https://scholar.google.com/citations?user=7LgVwR8AAAAJ
https://www.scimagoir.com/institution.php?idp=61890
ДЕРЖАВНІ НАГОРОДИ, ПРЕМІЇ, ҐРАНТИ, КОНКУРСНІ ПРОЄКТИ, СТИПЕНДІЇ СПІВРОБІТНИКІВ ВІДДІЛУ
|
Рік |
Вид нагороди |
Лауреат(и) |
|
1974 |
Республіканська комсомольська премія ім. М. Островського |
Ю.В. Корнюшин |
|
1978 |
Державна премія УРСР в галузі науки і техніки за цикл робіт з теорії неідеальних кристалів |
М.О. Кривоглаз |
|
1979 |
Республіканська комсомольська премія ім. М. Островського |
А.Х. Журавльов |
|
1981 |
Премія імені К.Д. Синельникова АН УРСР |
А.А. Смирнов |
|
1986 |
Премія Ленінського комсомолу в галузі науки і техніки |
В.А. Татаренко |
|
1986 |
Премія ім. Є.С. Федорова АН СРСР за цикл робіт «Дифракція рентґенівських променів, електронів і нейтронів в ідеальних і реальних кристалах» |
М.О. Кривоглаз |
|
1988 |
Державна премія УРСР в галузі науки і техніки за цикл робіт «Позитронні дослідження структури твердих тіл» |
А.А. Смирнов |
|
1990 |
Державна премія УРСР в галузі науки і техніки за цикл робіт «Передбачення, виявлення і дослідження нового типу елементарних збуджень в кристалах з домішками» |
М.О. Іванов |
|
2003 |
Почесна грамота МОН України |
К.Г. Левчук |
|
2004–2007 |
Реінтеґраційний ґрант НАТО для виконання наукового дослідження ‘Physical Characteristics of Evolution of Nanoscale Alloy Polycrystallites with Close-Packed Lattice — Statistical Thermodynamics and Kinetics’ |
Т.М. Радченко |
|
2005 |
Премія НАН України для молодих вчених за цикл робіт «Фізична кінетика та процеси аморфізації в твердих металевих розчинах» |
Т.М. Радченко |
|
2006 |
Стипендія Всесвітньої федерації учених і МЦНК «Всесвітня лабораторія» (Лозанна, Швейцарія) для молодих учених для виконання наукової роботи «Фазові перетворення у сплавах Fe–Ni в екстремальних умовах надвисокого тиску і температури» |
Т.М. Радченко |
|
2007 |
Стипендія Київського міського голови для обдарованої молоді за особистий творчий внесок у розвиток міста, високі досягнення у суспільному житті |
Т.М. Радченко |
|
2007–2008 |
Ґрант НАН України для молодих вчених для виконання наукового проєкту «Фізична кінетика атомового впорядкування та кластероутворення у дво- і тривимірних системах з наномасштабною щільновпакованою структурою» |
Т.М. Радченко |
|
2009–2010 |
Ґрант НАН України для молодих вчених для виконання наукового проєкту «Перерозподіл атомів у леґованім графені та його вплив на електропровідність» |
Т.М. Радченко |
|
2010 |
Відзнака (медаль) НАН України «За підготовку наукової зміни» |
М.О. Іванов |
|
2014 |
Премія Верховної Ради України для молодих вчених в галузі фундаментальних і прикладних досліджень та науково-технічних розробок |
Д.О. Кукуста |
|
2015 |
Державна премія України в галузі науки і техніки за цикл наукових праць «Функціональні властивості об'ємних і поверхневих впорядкованих систем та створення нових металовмісних матеріалів і структур» |
О.В. Гомонай |
|
2015–2017 |
Конкурсний українсько-польський проєкт ‘Configuration and Size Effects in Electronic Transport of Doped Graphene’ в рамках співробітництва між НАН України і Польською академією наук |
В.А. Татаренко |
|
2015–2017 |
Стипендія НАН України для молодих вчених |
О.В. Олійник |
|
2016 |
Відзнака НАН України «За наукові досягнення» |
М.О. Іванов |
|
2018 |
Відзнака (медаль) НАН України «За підготовку наукової зміни» |
В.А. Татаренко |
|
2018 |
Премія імені С.І. Пекаря НАН України за цикл робіт «Розробка аналітичних та числових методів дослідження хвильових і трансформаційних процесів у неоднорідних та нерівноважних конденсованих середовищах» |
М.О. Іванов |
|
2018 |
Ґрант Президента Україна за конкурсним проєктом ДФФД України для молодих докторів наук «Функціоналізація електротранспортних властивостей дефектного графену комбінуванням деформацій із модифікуванням мікроструктури» |
Т.М. Радченко |
|
2018–2020 |
Стипендія Президента України для молодих вчених |
А.Ю. Наумук |
|
2018–2021 |
Конкурсний українсько-німецький проєкт ‘Straintronics of Imperfect Quasi-Two-Dimensional Materials: Coplanar vs Lamellar Heterostructures’ за спільним конкурсом ДФФД–DFG |
В.А. Татаренко |
|
2020 |
Почесна грамота Президії НАН України |
М.О. Іванов |
|
2020–2021 |
Ґрант Національного фонду досліджень України (НФДУ) за конкурсом НФДУ «Підтримка досліджень провідних та молодих учених» для виконання наукового проєкту «Реґулювання розподілу атомів задля функціоналізації матеріалів на основі гібридної фази Fe16N2-мартенситу, альтернативних постійним магнітам з рідкісноземельних інтерметалідів або пермендюру» |
Т.М. Радченко |
|
2020–2024 |
Конкурсний проєкт «Комплексна діагностика чутливих до деформацій і дефектів структурних та електронних властивостей металічних наноматеріалів» за цільова програмою фундаментальних досліджень НАН України «Перспективні фундаментальні дослідження та інноваційні розробки наноматеріалів і нанотехнологій для потреб промисловості, охорони здоров'я та сільського господарства» на 2020–2024 роки |
Т.М. Радченко |
| © Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України, 2024 |