Аннотация результатов, полученных в 2018 году
Лишь немногие научные открытия изменили наше восприятие природы так, как это сделало развитие нанонауки. Материалы, структурированные на наноуровне, обладают уникальными физико-химическими свойствами и обеспечивают беспрецедентные возможности, которые в настоящее время используются во многих важных для общества областях, таких как здравоохранение, экологические исследования и преобразование энергии. Плазмоника, или плазмонное усиление поля, является наиболее выдающейся особенностью нанотехнологий и в настоящее время используется во многих приложениях для работы с изображениями, зондирования и преобразования энергии, в усовершенствованных плазмонных солнечных батареях, биоимиджинге, управлении флуоресценцией для отслеживания молекул в живых клетках, управляемых за счет плазмонного резонанса молекулярных устройствах и спектроскопии усиленного поверхностью комбинационного рассеяния для обнаружения одиночных молекул. И это лишь малая доля из многих примеров. В настоящее время существует острая потребность в поиске новых научных принципов для рационального конструирования плазмонных частиц, учитывая наличие более 6000 экспериментальных рецензируемых работ в области плазмоники, публикуемых ежегодно. Точнее, важно обобщить стандартные классические модели и расширить область их применимости, и, кроме того, выйти за пределы этих моделей развивая квантово-классические модели и полностью квантовые модели для проектирования плазмонных наночастиц и их применения с высокой точностью. Все это является предметом настоящего проекта в котором мы развиваем принципиально новые “атомистические» модели для исследования материалов размером 1-20нм, которые позволяют заполнить очень важный промежуток между очень маленькими суб-нанометровыми частицами, где применяется квантовая механика, и большими кластерами, за пределами 20 нм, где применяются подходы из классической физики, наряду с запуском передовых технических приложений с использованием адаптированных плазмонных частиц для применения в областях преобразования энергии и создания новых фотонных устройств, в том числе в области телекоммуникаций. Одним из компонентов нашей «атомистической» модели, которая является сравнительно простой и вычислительно «дешевой» по сравнению с квантово-химическими расчетами, является модель взаимодействия, которая включает в себя набор атомных поляризуемостей, которые в свою очередь взаимодействуют согласно законам классической электростатики в отсутствии внешнего электрического поля. При этом атомные поляризуемости рассчитываются с помощью некоторой параметризации. Параметризация подразумевает под собой набор параметров, с помощью которых атомная поляризуемость максимально приближена к установленным контрольным значениям для выбранного набора наночастиц. Ее можно разделить на две отдельные части: параметризацию тензоров электростатического взаимодействия, и параметризацию тензоров взаимодействия зарядов и диполей. Для параметризации тензоров электростатического взаимодействия мы используем модель нормированных гауссовских зарядов с дополнительным параметром, который вводит в нормированние гауссова заряда зависимость от координационного числа. В таком виде он позволяет в явном виде учитывать зависимость oт недиагональных элементов так называемой матрицы Рэлея (Relay matrix) в химической среде. Далее, мы определяем тензор самовзаимодействия, используя координационное число и соотношение Клаузиуса-Моссотти. Если говорить коротко, наша модель дискретного взаимодействия (ex-DIM) основана на следующих принципах: а) пространственно распределенные гауссовы диполи и заряды, из которых состоит наночастица, явно зависят от их локальной химической среды; б) атомные поляризуемости и емкости, используемые для параметризации тензоров взаимодействия, явно зависят не только от локальной среды флуктуирующих зарядов и диполей, но и от морфологии составных частей наночастицы. В нашей модели каждому атому в наночастице присваивается вычисленное координационное число, которое используется для модификации тензоров взаимодействия, связанных с соответствующими атомами. Здесь, в качестве еще одного усовершенствования, для оценки координационных чисел атомов мы используем схему Гримма, первоначально предложенную для вычисления дисперсионных поправок в теории функционала плотности. В оригинальной модели дискретного взаимодействия (DIM) для описания поляризационной сферы используется Гауссовское распределение зарядов. При этом тензор взаимодействия ренормализуется, что приводит к экранировке взаимодействия на коротких расстояниях (A. Mayer, Phys. Rev. B 75, 045407 (2007)). В противоположность этому, широко используемое приближение дискретных диполей рассматривает атомы как точечные объекты и используется тензор неэкранированных взаимодействий. Несмотря на атомистический характер, исходная модель дискретного взаимодействия (DIM) имеет ограниченные возможности в описании зависимости поляризуемости поверхности металлических наночастиц и, кроме того, не может быть использована для изучения поляризуемости составных наночастиц. Недавно группа Chen et al. (X. Chen et al, Nature communications, 6:8921 (2015)) разработала координационно-зависимую модель дискретного взаимодействия (cd-DIM), в которой сделана попытка преодолеть указанные ограничения исходной модели DIM. Модель cd-DIM была применена для изучения оптических свойств, покрытых лигандами наночастиц серебра. Разрабатываемая нами модель представляет собой расширенную модель дискретного взаимодействия (ex-DIM), которая выходит за пределы cd-DIM и обеспечивает надежное описание поляризуемости составных металлических наночастиц. В течение первого периода проекта мы разработали теорию для нашего нового метода расширенного дискретного взаимодействия и сравнили его с моделью дискретного взаимодействия, зависящей от координационного числа, подчеркивая сильные и слабые стороны обеих моделей. Мы также провели полную параметризацию нашей модели и провели основные вычисления. Черновик статьи по данной работе уже подготовлен и в скором времени будет направлен в печать. В течение 2018 года мы также работали над моделью QM/CMM, расширяя нашу реализацию емкостной-поляризационной модели силовых полей для встраивания металлических поверхностей и/или наночастиц в металлическую область в сложных средах. Это делает нашу модель гибкой в отношении сред, которые радикально отличаются по своему характеру или сочетаются с такими средами и позволяет комбинировать металлические, органические или растворенные составляющие нанокластера. Мы использовали разрабатываемую модель для проведения расчетов свойств хромофоров на металлических поверхностях и наночастицах, где гетерогенная часть разделяется на металлическую часть, которой соответствует емкостно-поляризационная модель силовых полей для электростатики и поляризации, и распределенные заряды и поляризация для неметаллической части. В течение года мы также развили эту модель таким образом, чтобы включить в нее дисперсионные силы. Взаимодействие с ядром QM (квантово-механическим) регулируется в этой модели атомными емкостями, а не фиксированными зарядами, в дополнение к поляризуемости. Это позволяет использовать модель емкостной поляризуемости в рамках подхода QM/MM для изучения оптических свойств молекул на поверхности металлических наночастиц. Результаты работы будут использованы на следующем этапе развития «атомистической модели». ПРИЛОЖЕНИЯ. В 2018 в проекте была исследована комплексная система из двух золотых наночастиц, каждая из которых состояла из 309 атомов, располагающихся над поверхностью графена. Нашей целью при рассмотрении такой системы являлась возможность показать существование в них нового типа плазмонных возбуждений, появляющихся благодаря переносу заряда между металлическими наночастицами через поверхность графена. Для расчета тензора диэлектрической проницаемости мы провели расчеты тензора диэлектрической проницаемости с помощью методов теории функционала плотности (DFT). Проведенные вычисления показали, что вычислительные затраты для расчета такой системы даже с помощью метода DFT чрезвычайно велики. Поэтому была разработана гибридная модель для расчета плазмонов в таких системах. Было установлено, что существование связанных колебаний электронной плотности в паре наночастиц возможно благодаря возникновению возвращающей силы в них при переносе электронной плотности этих наночастиц вдоль поверхности графена. Для этого посредством DFT расчетов с использованием программного пакета VASP 5.4 были выполнены спин-поляризованные вычисления электронной структуры периодической системы, насчитывающей кластер графена и лежащую над ним золотую наночастицу. Установлено, что волновые функции электронов вблизи уровня Ферми частично переходят из наночастицы в углеродный кластер, что позволяет носителям без преодоления порога (работы выхода) ускоряться и двигаться в графене под действием электрического поля. Далее, полагая, что в плазмонном колебании участвуют электроны на уровне Ферми, можно определить их первоначальную кинетическую энергию, с которой они начинает ускоряться под действием электрического поля E(r) между парой противоположно заряженных наночастиц. С помощью формул электростатики и динамики, был создан алгоритм, запрограммированный на языке MatLab, позволивший рассчитывать длину волны плазмонов, возникающих при обмене зарядами золотых наночастиц через проводящую поверхность графена. Для различных размеров золотых наночастиц (147, 309 и 561 атомов) был установлен линейный характер зависимости длин волн плазмонов от расстояния между наночастицами, что обусловлено баллистическим движением электронов между ними. Данный вид зависимости зависимость косвенно подтверждается расчетами плазмонов в квазиодномерных системах, где наблюдается линейная зависимость частоты плазмона от его волнового вектора при его малых значениях. Еще одним приложением, рассмотренным в проекте в 2018 явилось исследование механизмов взаимодействия между одномерным фотонным кристаллом и 2D структурой, состоящей из плазмонных наночастиц, встроенных в его дефектный слой. При выполнении работ, с использованием модели, являющейся обобщением классических подходов к описанию аномалий Рэлея-Вуда в периодических планарных структурах из плазмонных наночастиц, на случай внедрения таких периодических структур в слоистые среды, проведены численные расчеты положения аномалий Рэлея-Вуда в таких системах. Спектральное положение этих новых аномалий хорошо согласуются с результатами моделирования методом конечных разностей во временной области. Электромагнитное взаимодействие между локализованным поверхностным плазмонным резонансом и обусловленными наличием фотонного кристалла аномалиями Рэлея-Вуда позволяет эффективно управлять дефектными модами фотонного кристалла. В модели учитываются отражения от границ раздела в слоистой среде и взаимодействие частиц 2D структуры друг с другом через эти множественные отражения. Такое взаимодействие порождает дополнительные степени свободы в пространстве разрешенных состояний для аномалий Рэлея-Вуда, что и приводит к множественному расщеплению этих аномалий. Нетривиальный характер взаимодействия между дефектными модами фотонного кристалла подразумевает существование обусловленных фотонным кристаллом аномалий Рэлея-Вуда, спектральные положения которых могут быть определены с высокой точностью. Численные расчеты с использованием метода конечных разностей во временной области показывают высокое согласие между прогнозируемыми положениями аномалий Вуд-Рэлея и областями гибридизации мод фотонного кристалла. Сильная связь между фотонным кристаллом и наночастицами приводит к расщеплению дефектных мод, которые могут быть настроены путем изменения периода планарной структуры из наночастиц, размера наночастиц и толщины дефектного слоя фотонного кристалла. Таким образом, более глубокое понимание физических механизмов взаимодействия мод в гибридной системе «плазмонные наночастицы-фотонный кристалл» открывает возможности для более эффективного управления оптическим откликом такой системы, а также для различных приложений в фотонике, в частности, при разработке различных типов сенсоров, поглотителей света, модуляторов и других современных фотонных устройств с управляемыми оптическими свойствами. Кроме того, это позволяет обойти препятствия, возникающие при использовании альтернативных подходов.

Аннотация результатов, полученных в 2019 году
1) Разработка модели ex-DIM. В течение 2019 года мы завершили разработку базовой версии расширенной модели дискретного взаимодействия (ex-DIM), опубликовали ее и представили ее применение в двух статьях Q1. Модель предлагает уникальное моделирование плазмонных наночастиц в диапазоне 1-20 нм, что заполняет пробел в теоретической наноплазмонике. Таким образом, мы устранили разрыв между теорией и экспериментом при проектировании плазмонных частиц в малом диапазоне размеров, где классические модели неприменимы. Чтобы продемонстрировать возможности модели ex-DIM, мы выполнили ряд расчетов для сфер, кубов и наностержней. Наши численные результаты во всех случаях согласуются с имеющимися экспериментальными данными и указывают на гибкость расширенной модели ex-DIM. Мы предполагаем, что данная модель может быть широко использована, например, при разработке небольших плазмонных наночастиц в смешанных или легированных системах с заданной геометрией, в органических гибридных системах с металлическими частицами, в которых органическая часть получает сопоставимую параметризацию и соответствующее описание, как и металлическая часть, в гетерогенных средах и во внешних полях. 2) Численное моделирование структуры двумерных материалов на основе перовскитов и дихалькогенидов переходных металлов. Мы изучили двумерные перовскиты, работающие в инфракрасной области с фотоактивными pi-органическими катионами, которые характеризуются сильной флуоресценцией. Сильное двухфотонное поглощение ИК-фотонов этих материалов позволяет преобразовывать апконвертированную энергию в фотоактивные слои перовскита, где, в ответ на действие ИК-фотонов, происходит переизлучение. Нами были проведены теоретические расчеты для одно- и двухфотонного возбуждения, внутренней конверсии, интеркомбинационного синглет-триплетного переноса и переноса заряда органического перовскита. Мы предполагаем, что рассмотренные системы имеют потенциал в качестве эффективных ИК-датчиков. Мы исследовали нанокристаллы перовскита CsPbX3 (X=Cl/Br), легированные редкоземельными ионами (RE3 +), которые являются перспективными материалами для применения в технологиях преобразования солнечной энергии. Чрезвычайно эффективная сенсибилизация люминесценции Yb3+ в нанокристаллах CsPbCl3, в которых наблюдался сверхсильный квантовый выход более 100%, была объяснена с точки зрения процесса квантового расщепления (quantum cutting). Геометрическая и электронная структура, состав и уровни легирования были детально изучены как основа для процесса квантового расщепления. Описан целый ряд оптоэлектронных свойств двумерных дихалькогенидов благородных металлов и переходных металлов. Были предсказаны величины фундаментальных оптических запрещенных зон в двумерном одно- и двухслойном PdSe2, а также объяснены экспериментально наблюдаемые электронные свойства, что позволило устранить несоответствия между экспериментом и более ранней теорией. Наши результаты дают основу для более глубокого понимания физических свойств гетероструктур на основе PdSe2. Оптические спектры PdSe2 охватывают широкую область солнечного спектра излучения, что указывает на перспективы применения для солнечных элементов и детекторов. 3) Моделирование новых плазмонных частиц. Была разработана гибридная модель, описывающая плазмоны в паре металлических наночастиц на поверхности графена, возникающие благодаря переносу заряда между наночастицами через поверхность графена. Наличие двух металлических наночастиц на небольшом расстоянии друг от друга приводит к донированию носителей в графеновую плоскость, искажает трансляционную инвариантность графена и может привести к возникновению плазменных колебаний, при которых будут происходить колебания электронной плотности в наночастицах благодаря переносу заряда между ними через проводящую поверхность графена. Разработанная гибридная модель основывается на решении нестационарного уравнения Шредингера с фактически релятивистским гамильтонианом, основанном на произведении матриц Паули и оператора импульса, действующим на спинорную волновую функцию. С помощью эволюции волновой функции находится изменение заряда наночастиц во времени и, тем самым, вычисляется частота колебаний, соответствующая возникновению плазменного колебания. Предложен и исследован новый тип плазмонов, возникающих в парах небольших металлических наночастиц, связанных узким проводящим молекулярным мостиком. В отличие от известных плазмонов с переносом заряда, мостик в предложенных плазмонных системах состоит из узкой проводящей молекулы или полимера, в котором происходит баллистический перенос электронов. Для расчета изменения потенциальной и кинетической энергии зарядов, запасаемой в наночастицах и проводящем мостике, необходимо учитывать квантовые эффекты. Для описания предложенных плазмонов с переносом заряда предложена оригинальная гибридная квантово-классическая модель, учитывающая квантовые эффекты, с основными параметрами, полученными из квантово-химического моделирования с использованием расчетов в рамках формализма функционала электронной плотности (DFT). В качестве примера рассмотрена система, включающая две наночастицы золота из 147 и 339 атомов, связанные сопряженной молекулой полиацетилена (C8H8), оканчивающейся с концов атомами серы для присоединения к наночастицам и обеспечивающих проводимость интерфейса мостик-наночастица. Показано, что частота плазмонов в этой модели лежит в ближней инфракрасной области и сильно зависит от геометрических размеров системы, от молекулярной проводимости молекулы-мостика и от проводимости интерфейса наночастица - молекула. Мы предполагаем, что предложенный новый тип плазмонов может иметь широкие практические применения в био- и нано-сенсорике. 4) Гибридные системы на основе планарных структур в виде решеток плазмонных частиц. Получены сведения о взаимодействии немонохроматического излучения с периодическими структурами (ПС), состоящими из плазмонных и диэлектрические наночастиц. Показано, что такие ПС могут обеспечить полное селективное отражение падающей плоской волны в узкой спектральной линии коллективного решеточного резонанса с добротностью 1000 или больше в различных спектральных диапазонах. Установлено, что ПС из плазмонных частиц нитрида титана (TiN) с высокой лучевой стойкостью позволяют достичь высокодобротного оптического отклика в условиях сильного нагрева наночастиц (до 900 градусов) и в условиях химически агрессивных сред, что позволит успешно использовать такие системы с учетом названных факторов, несмотря на более низкое значение коэффициента отражения по сравнению с диэлектрическими материалами. Показано, что ПС с фиксированными размерными параметрами позволяют точно настроить положение выбранной резонансной спектральной линии путем наклона ПС (решетки) относительно направления падающего излучения без существенного снижения добротности. Продемонстрированные эффекты лежат в основе подходов к разработке новых типов селективных перестраиваемых оптических высокодобротных фильтров в широком диапазоне длин волн - от видимого до среднего ИК. Критерии точности при производстве фильтров в значительной степени соответствуют современной технологии изготовления, что позволяет использовать наши модели для конструирования устройств для специальных применений. Полученные результаты показывают, что наиболее подходящий материал может быть определен с учетом его оптических характеристик, а также условий эксплуатации фильтров.

Аннотация результатов, полученных в 2020 году
В 2020 году работа проводилась по четырем ключевым направлениям, представленным ниже. 1. Наноплазмоника: ex-DIM моделирование плазмонных решеток, волноводов и фильтров. Мы продолжили развитие разрабатываемой нами расширенной модели дискретного взаимодействия (ex-DIM), в которой была учтена явная зависимость электромагнитного поля, генерируемого плазмонными возбуждениями, от структуры и состава наночастиц в диапазоне размеров от 1 до 10 нм. При этом было улучшено описание электромагнитных полей и анализ реакции на них кластера. Основной же акцент был сделан на верификации модели с помощью сравнения с классическими моделями, в числе которых теория Ми и метод конечных разностей во временной области (FDTD). Классическая теория Ми играет важную роль в предсказании рассеяния света и плазмонных резонансов в наноразмерных металлических частицах. Она работает в области таких размеров наночастиц, где имеет смысл понятие классической объемной диэлектрической проницаемости и в частотных диапазонах, в которых доступны экспериментальные данные. Хотя, для улучшения результатов к теории Ми ранее были предложены многочисленные поправки, которые учитывают квантовые размерные эффекты, тем не менее, использование классических диэлектрических постоянных объемных материалов делает невозможным учет диэлектрического отклика в зависимости от структуры и формы материала, то есть от свойств, которые «привязаны» к дискретной атомной структуре наночастиц. Мы провели сравнение модели ex-DIM с классической теорией Ми. Для этого были использованы наночастицы в форме полых нанооболочек с варьируемым размером полостей и размеров самих наночастиц. Используя расширенную модель дискретного взаимодействия и теорию Ми, мы исследовали возможность «настройки» оптической поляризуемости этих металлических наноразмерных оболочек. Мы обнаружили, что теория Ми, которая использует поправку на длину свободного пробега электронов для диэлектрической проницаемости, не способна воспроизвести ту же функциональную форму резонансных мод для нанооболочек тех же размеров, получаемую в модели ex-DIM. В связи с этим наша модель предсказывает большее красное смещение для симметричной моды, чем теория Ми. Полученные результаты опубликованы в статье «Plasmonic nano-bubbles: Atomistic discrete interaction versus classic electrodynamics models» в журнале Physical Chemistry Chemical Physics. Они подтверждают гибкость и надежность модели ex-DIM в исследованиях малых плазмонных частиц для широкого диапазона структур, форм и составов. Нами также была разработана гибридная модель, включающая в себя метод ex-DIM и хорошо известный метод связанных диполей (CDA). Расширенная модель дискретного взаимодействия позволяет рассчитывать значения дипольной поляризуемости плазмонных наночастиц произвольной формы. Эти данные являются входными параметрами метода связанных диполей, которая ранее успешно применялась для решения широкого круга задач наноплазмоники. Разработанная гибридная модель позволяет рассчитывать спектры экстинкции как конечных структур из наночастиц, так и бесконечных (1D, 2D и 3D) упорядоченных структур с произвольной элементарной ячейкой. Сравнение методов ex-DIM и FDTD осуществлялось в рамках исследования так называемых «горячих точек» в малых металлических наночастицах. Были описаны наночастицы золота и серебра различных форм (сферические частицы, конусы, двойные конусы, тетраподы, крестовидные наночастицы, угловые наночастицы, тороидальные наночастицы), которые легко синтезируются в экспериментах. В результате показано, что с помощью модели ex-DIM можно изучить оптический отклик наноразмерных частиц с учетом их внутренней кристаллической структуры. Это позволяет предсказывать зависимость генерируемых электромагнитных локальных полей от угла между одной из осей симметрии кристаллической решетки и направлением поляризации внешнего поля, что невозможно с обычно применяемыми классическими моделями, рассматривающими материал частицы как однородную сплошную среду. Результаты, полученные методами FDTD и ex-DIM, имеют некоторые существенные различия как в отношении максимумов плазмонных резонансов, так и в отношении генерируемых полей, которые во многом зависят от конкретной структуры нанообъекта. При этом очевидно, что ограничением метода FTDT является использование диэлектрических проницаемостей для макрообразцов даже для малых наночастиц. Хотя некоторые поправки в нем могут вводиться как «квантово-скорректированные» диэлектрические проницаемости, все же то, что «истинная» диэлектрическая проницаемость изменяется по частице, например между внутренним объемом и поверхностью, в данном методе игнорируется. Полученные результаты отражены в статье «Plasmonic enhancement of local fields in small metal nanoparticles», отправленной на рассмотрение в журнал Physical Chemistry Chemical Physics. Нами также исследовано проявление эффекта спектрально-селективного подавления обратного отражения от массива наночастиц (эффект Керкера) в периодических решетках из Al NPs. Необходимым условием для данного эффекта является эквивалентность диэлектрической и магнитной проницаемости рассеивающей частицы, что приводит к проявлению электрических и магнитных откликов на одной и той же частоте и их взаимной интерференционной компенсации. Проявление этого нетривиального эффекта в оптическом диапазоне частот возможно в периодических структурах, в которых взаимодействие локальных резонансов отдельных частиц с аномалиями Рэлея приводит к значительному увеличению амплитуды как электрических, так и магнитных мод разных порядков (дипольных, квадрупольных и т.д.). При этом спектральное положение этих мод может управляться за счет изменения геометрии периодической структуры. Посредством правильного выбора геометрии периодической структуры, а именно периода в направлении поляризации падающего излучения и ортогональном ему направлении, достигнуто совпадение по длине волны положения дипольного резонанса и гибрида электрического квадруполя с магнитным диполем. При этом в отражении наблюдается их деструктивная интерференция и полное подавление обратного отражения. Нами выполнены расчеты фазовых зависимостей каждой из интерферирующих мод. Показано, что подавление отражения в исследуемой системе достигается за счет разности фаз между электрической дипольной модой с одной стороны и магнитной дипольной, электрической квадрупольной модами, с другой стороны. Результаты соответствующей работы представлены в статье «Plasmonic lattice Kerker effect in ultraviolet-visible spectral range», принятой для публикации в журнал Physical Review B. 2. QM/Ex-DIM многомасштабное моделирование. Объединив модели ex-DIM и QM/MM (QM/CMM), мы получили совершенно уникальный метод для проведения многомасштабного моделирования, названный QM/Ex-DIM, который позволяет конструировать плазмонные наночастицы произвольной формы, размера и состава материала. С его помощью мы теперь можем непосредственно изучить, как плазмонное возбуждение порождает и усиливает свойства и возбуждения в квантово-механической системе. Это может быть использовано для изучения металлических наночастиц, покрытых защитными или функциональными (био)органическими слоями, в которых сама наночастица рассматривается с помощью модели ex-DIM, а слой (био)органического покрытия описывается в рамках нестационарной теории функционала плотности. Такое разделение гетерогенных интерфейсов делает возможным явное рассмотрение эффектов переноса заряда, а также «эффективное» моделирование химической связи между их частями. По полученным результатам в настоящий момент готовиться рукопись статьи с рабочим названием «A general mutiscale method for calculations of plasmonically induced molecular properties». 3. Управление свойствами двумерных (2D) наномагнитов с помощью химической и электростатической инженерии. Двумерные материалы получили большое внимание как новый класс материалов с уникальными свойствами, которые могут повлиять на технологии будущего. Поэтому теоретический дизайн и открытие новых двумерных материалов стали важной частью современного материаловедения. В связи с этим, мы разработали подход, который позволяет сделать дополнительную оценку стабильности, основываясь на расчете межатомных сил в отсутствии периодического приближения. Этот подход был апробирован на ряде двумерных материалов с пентагональной морфологией. Было установлено, что из всего ряда материалов только экспериментально подтвержденный 2D PdSe2 демонстрирует структурную стабильность, в то время как остальные материалы претерпевают значительное искажение решетки, свидетельствующее о невозможности их экспериментального получения. Стабильность PdSe2 может быть объяснена тем, что соответствующая ориентация центральной подрешетки Pd относительно димеров Se2 эффективно компенсирует все механические напряжения и сохраняет плоскую структуру нанокластеров PdSe2, в то время как чешуйки всех других материалов, имеющих пятиугольную морфологию, демонстрируют ненулевую кривизну, индуцируемую избыточными межатомными силами. Помимо этого мы разработали подход к управлению магнитной анизотропией 2D-наномагнитов. Было показано, что двуслойный CrI3 является антиферромагнетиком в основном состоянии. Однако это состояние может быть изменено путем интеркаляции в межслойное пространство атомов кальция. Данная интеркаляция приводит к структурному переходу из высокотемпературной фазы в низкотемпературную, который сопровождается магнитофазовым переходом из антиферромагнитного состояния в ферромагнитное. Результаты работы опубликованы в статье «Structural stability of single-layer PdSe2 with pentagonal puckered morphology and its nanotubes», в журнале Physical Chemistry Chemical Physics. 4. Исследование новых плазмонов с переносом заряда и плазмонов на поверхности графена. В прошлом году мы разработали оригинальную гибридную квантово-классическую модель плазмонов с переносом заряда. В этом году данная модель была расширена на общий случай описания сложных металлических кластеров. Были рассмотрены модельные системы в виде димеров из двух наночастиц золота, а также в виде правильного треугольника, тетраэдра, звезды с 4 лучами, одномерной цепочки из N наночастиц, а также цепочки из N наночастиц, свернутой в кольцо. В результаты были получены общие аналитические выражения для плазмонных частот в большинстве данных систем. Было обнаружено, что данные плазмоны с переносом заряда обладают определенной симметрией (симметрия токов, текущих по линкерам при плазмонных колебаниях, или симметрия зарядов наночастиц при этом), определяемой симметрией геометрии, и что взаимодействие этих плазмонов с внешним электромагнитным полем зависит от симметрии. По полученным результатам подготовлена статья «Charge-transfer plasmons of complex nanoparticles array with narrow conductive molecular bridges», отправленная на рассмотрение в Journal of Chemical Physics. Были также исследованы CTPs в металлических NPs на поверхности графена, появляющиеся благодаря переносу заряда между ними через данную углеродную поверхность. Для описания такой системы была разработана компьютерная программа для расчета эволюции волновой функции электронов, движущихся в графеновой плоскости между двумя наночастицами, обладающими противоположными зарядами. При этом использовался релятивистский спинорный гамильтониан с размером матрицы (2x2), широко применяемый при исследовании электронных свойств графена. Результаты работы были представлены в научно-популярных статьях в СМИ. 1. Пресс-служба СФУ: Квантовый мост: учёные предсказали новые плазмоны, http://www.sfu-kras.ru/students/22913 2. Nacked Science – новости науки: Предсказано существование новых плазмонов, пригодных для создания сверхчувствительных биосенсоров (11.03.2020), https://naked-science.ru/article/column/predskazano-sushhestvovanie-novyh-plazmonov-prigodnyh-dlya-sozdaniya-sverhchuvstvitelnyh-biosensorov 3. Индикатор: Созданы сверхминиатюрные оптические фильтры. https://indicator.ru/physics/sverkhminiatyurnye-opticheskie-filtry-04-03-2020.htm?fbclid=IwAR1RaacK4gsT1dXb3ztoANeO8_3Y1riGN094JMjV4fD8ea0BEcv61G2taSw 4. Пресс-служба СФУ: Учёные придумали способ определить «жизнеспособность» предсказанных 2D-материалов (22.05.2020), http://news.sfu-kras.ru/node/23201 5. EurekAlert!: Scientists devise a way to determine the viability of predicted 2D materials (27.05.2020), https://eurekalert.org/pub_releases/2020-05/sfu-sda052720.php 6. Научная Россия: Проложить маршрут лекарству, смоделировав оптический отклик полых наночастиц. https://scientificrussia.ru/articles/prolozhit-marshrut-lekarstvu-smodelirovav-opticheskij-otklik-polyh-nanochastits 7. Министерство науки и высшего образования России: Учёные рассказали, как «упаковать» лекарства внутрь наночастиц. https://minobrnauki.gov.ru/press-center/news/?ELEMENT_ID=22560