Математическое моделирование статистической механики взаимодействующих закрученных частиц и ее приложения

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 21-71-10066

НазваниеМатематическое моделирование статистической механики взаимодействующих закрученных частиц и ее приложения

Руководитель Капарулин Дмитрий Сергеевич, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский государственный университет" , Томская обл

Конкурс №61 - Конкурс 2021 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 01 - Математика, информатика и науки о системах; 01-113 - Математическая физика

Ключевые слова Статистическая механика, математическое моделирование, орбитальный момент, релятивистские спиновые частицы, спин, квантовый ротатор, молекулярный гироскоп, киральный эффект, тепловая машина, разделение изотопов.

Код ГРНТИ29.17.00

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Статистическая механика предсказывает существование особого рода киральных явлений, возникающих во вращающихся макроскопических системах из частиц с ненулевым собственным (орбитальным или спиновым) угловым моментом. Если обычный покоящийся электронный газ, чьи частицы несут спиновый угловой момент, имеет нулевую намагниченность, то вращение такой системы приводит к появлению магнитного поля, направленного вдоль вектора (эффект Барнетта). Другой пример – помещение изначально не вращающегося электронного газа в магнитное поле приводит к макроскопическому вращению (эффект Эйнштейна-де Хааса). Имеются указания на возможность влияния изменения скорости вращательного движения на температуру тела (гирокалорический эффект) и способность вещества к участию в химических реакциях (химический киральный эффект). Предсказанные более 100 лет назад киральные явления, в настоящее время исследуются с постоянно возрастающей интенсивностью. Они находят применение при исследовании молекулярной динамики, конструировании наноматериалов, оптических устройств нового поколения, описании состояния быстровращающегося вещества, в том числе при наличии сильного гравитационного или электромагнитного поля. В контексте настоящего исследования наибольший интерес представляют киральные эффекты в системах классических релятивистских спиновых частиц и классических молекулярных ротаторов. Изучение киральных эффектов в системах релятивистских частиц со спином затрудняется отсутствием подходящего формализма. Имеющиеся исследования используют квантовую теорию поля при конечной температуре и квантовую статистическую механику, а их применение, в основном, ограничено частицами со спином 1/2; киральные эффекты в системах частиц со спином больше двух до сих пор не рассматривались. В настоящем проекте впервые в мире разрабатывается статистическая механика спиновых частиц произвольного спина, основанная на классической теории спина. Она позволяет единообразным образом изучить, не выходя за пределы механического формализма, свойства систем из частиц с произвольным значением спина, в том числе при наличии макроскопического вращения и/или наличия внешнего электромагнитного и гравитационного поля. На основании этих разработок будет построена квазиклассическая теория киральных явлений, происходящих в супергорячей электронной плазме в сильном магнитном поле. Математическое моделирование процессов обмена количеством движения при столкновениях частиц во вращающихся системах отсчета является важным вопросом динамки, актуальным при исследовании и конструировании динамических наноструктур, молекулярных роторов и наномашин. Численные эксперименты, выполняемые в настоящем проекте, позволят получить новые данные по движению крупных углеродных молекул, включая фуллерен С60 и наночастицы, в том числе сверхпроводящие наноторы с током. Будет сделан вывод о наличии киральных эффектов в таких системах, определена их величина. Результаты проекта будут использованы при разработке научных основ двух новых технологий получения сжиженного природного газа и разделения изотопов.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Потеряева В.А., Бубенчиков М.А., Бубенчиков А.М., Потекаев А.И., Капарулин Д.С. Состояния атома гелия внутри фуллерена Известия высших учебных заведений. Физика, Т. 65, № 1, С. 156-164 (год публикации - 2022)
10.17223/00213411/65/1/156

2. Лун-Фу А.В., Бубенчиков А.М., Бубенчиков М.А., Овчинников В.А. Computational Analysis of Strain-Induced Effects on the Dynamic Properties of C60 in Fullerite Crystals, Vol. 12, article number 260 (год публикации - 2022)
10.3390/cryst12020260

3. Бубенчиков М.А., Бубенчиков А.М., Мамонтов Д.В., Овчинников В.А. Studying the possibility of using fullerenes inside carbon nanotubes as a molecular engine Journal of Physics: Conference Series, Vol. 2211, article number 012005 (год публикации - 2022)
10.1088/1742-6596/2211/1/012005

4. Лун-Фу А.В., Бубенчиков А.М., Овчинников В.А. Numerical study of rotational dynamics of carbon nanotori during intermolecular interaction Journal of Physics: Conference Series, Vol. 2211, article number 012004 (год публикации - 2022)
10.1088/1742-6596/2211/1/012004

5. Бубенчиков М.А., Мамонтов Д.В., Челнокова А.С. Относительная динамика оболочек бифуллеренового комплекса Вестник Томского государственного университета. Математика и механика, № 77 (год публикации - 2022)

6. Бубенчиков М.А., Капарулин Д.С., Носырев О.Д. Chiral effects in classical spinning gas Journal of Physics A: Mathematical and Theoretical, Vol.55, No. 395006 (год публикации - 2022)
10.1088/1751-8121/ac8cc1

7. Лун‑Фу А.В., Бубенчиков А.М., Бубенчиков М.А., Капарулин Д.С., Овчинников В.А. Flip effect of carbon nanotori Meccanica, Vol. 57, Is. 9, P. 2293-2301 (год публикации - 2022)
10.1007/s11012-022-01562-0

8. Капарулин Д.С., Малев М.А. On statistical mechanics of spinning particles with continuous helicity Physics of Elementary Particles and Atomic Nuclei (год публикации - 2023)

9. Бубенчиков М.А., Капарулин Д.С., Левин Н.Н., Носырев О.Д. Generalized Maxwell-Boltzmann distribution for rotating spinning particle gas Physics of Elementary Particles and Atomic Nuclei (год публикации - 2023)

10. Бубенчиков М.А., Капарулин Д.С., Ибрагимов Р.А., Носырев О.Д. Chiral effects in quantum rotor systems Russian Physics Journal (год публикации - 2023)

11. П.О. Казинский, П.С. Королев, Г.Ю. Лазаренко, В.А. Рякин Multiplexing signals with twisted photons by a circular arc phased array Annals of Physics, 462, 169610 (год публикации - 2024)
10.1016/j.aop.2024.169610

12. Бородин В.И., Бубенчиков А.М., Бубенчиков М.А., Капарулин Д.С., Овчинников В.А. Numerical Analysis of the Influence of a Magnetic Field on the Group Dynamics of Iron-Doped Carbon Nanotori Magnetochemistry, Vol. 10, No. 29. (год публикации - 2024)
10.3390/magnetochemistry10040029

13. Бородин В.И., Бубенчиков М.А., Бубенчиков А.М., Овчинников В.А. Numerical study of the chiral effect in C60 fullerite Indian Journal of Physics (год публикации - 2024)
10.1007/s12648-024-03215-2

Публикации