پژوهش فیزیک ایران
سال:1399 | دوره:20 | شماره:1 |تعداد مقالات:18

در دهه های اخیر فیزیکدانان مادة چگال با به کار بردن مفاهیم توپولوژی توسعه داده شده در ریاضی و مکانیک کوانتومی و درک ارتباط عمیق آنها، حالت های جدیدی از مواد را کشف کرده و الگوهایی برای طبقه بندی فازهای مواد ارائه داده اند. این موضوع حتی دانش شیمی مربوط به اوربیتال ها و پیوندهای اتمی و همچنین علم توسعة مواد با خواص مورد انتظار را دگرگون کرده است. در سال های اخیر دستگاه های الکترونی معرفی شده اند که از منظر کاربرد و درک سازوکارهای تعیین کنندة خواص مربوط به آنها مسبوق به سابقه نبوده اند. هدف این مقالة مروری که در دو بخش مرتبط نوشته شده است، پرداختن به این موضوعات است. در بخش اول فعالیت های پژوهشگران در دهه های گذشته تا کنون با رویکرد و نگاهی تاریخی به سؤالات و موضوعات اساسی مرور می شود و در بخش دوم برخی از مبانی و مفاهیم پایه ای توپولوژی در مکانیک کوانتومی مواد را بررسی خواهیم کرد. در دهه های اخیر فیزیکدانان مادة چگال با به کار بردن مفاهیم توپولوژی توسعه داده شده در ریاضی و مکانیک کوانتومی و درک ارتباط عمیق آنها، حالت های جدیدی از مواد را کشف کرده و الگوهایی برای طبقه بندی فازهای مواد ارائه داده اند. این موضوع حتی دانش شیمی مربوط به اوربیتال ها و پیوندهای اتمی و همچنین علم توسعة مواد با خواص مورد انتظار را دگرگون کرده است. در سال های اخیر دستگاه های الکترونی معرفی شده اند که از منظر کاربرد و درک سازوکارهای تعیین کنندة خواص مربوط به آنها مسبوق به سابقه نبوده اند. هدف این مقالة مروری که در دو بخش مرتبط نوشته شده است، پرداختن به این موضوعات است. در بخش اول فعالیت های پژوهشگران در دهه های گذشته تا کنون با رویکرد و نگاهی تاریخی به سؤالات و موضوعات اساسی مرور می شود و در بخش دوم برخی از مبانی و مفاهیم پایه ای توپولوژی در مکانیک کوانتومی مواد را بررسی خواهیم کرد.

روش جدیدی برای محاسبه طول مسیر آزاد میانگین برای نانو ذرات کروی ارائه شده و با توجه به آن تابع دی الکتریک وابسته به شعاع و بسامد باز نویسی شده است. تغییرات تابع دی الکتریک جدید بر حسب طول موج و شعاع مورد بررسی قرار گرفته و با استفاده از" نظریه می" نمودار تغییرات سطح مقطع خاموشی بر حسب طول موج و شعاع برای نمونه هایی با جرم ثابت ترسیم و با مقایسه این دو نمودار مشخص شده است که مکان قله تشدید پلاسمونی تقریبا ثابت است ولی جذب در نمونه تغییر قابل مشاهده ای می کند. در انتها با استفاده از نمودار سه بعدی جذب برحسب شعاع وانحراف معیار وهمچنین نمودار سه بعدی طول موج بر حسب شعاع وانحراف معیار، بازه شعاعی یک نمونه نانو کلویید طلا ی تولید شده به روش کندو سوز لیزری بین 17 تا 20 نانو متر و بازه شعاعی همان نمونه پس از نوردهی با تپ ها ی لیزری بین 12 تا 14 نانو متر تخمین زده شده است. این مقادیر با مقادیر اندازه گیری شده توسط تصاویر میکروسکپ الکترونی تطبیق خوبی دارد.

در این مقاله مدل نمودار سنی جدید به عنوان جایگزینی برای مدل گرانش دورهمسان اصلاح یافته در نظر گرفته شده است. ابتدا معادلات فریدمن را، با احتساب مادة تاریک و انرژی تاریک به همراه جملة چسبندگی حجمی در متریک تخت فریدمن-رابرتسون-واکر محاسبه می کنیم. سپس پارامترهای کیهان شناسی و تابع را با کمک قانون توانی عامل مقیاس و تطابق بین مدل نمودار سنی و گرانش دورهمسان به دست می آوریم. با رسم تغییرات معادلة حالت انرژی تاریک بر حسب پارامتر انتقال به سرخ، انبساط شتاب دار عالم را توصیف می کنیم. در خاتمه، شرط پایداری را به کمک تابع سرعت صوت بررسی کرده و قیود انرژی-ضعیف را برای پارامترهای آزاد پیدا می کنیم.

در این پژوهش خواص ساختاری و الکترونی ترکیبات نیم رسانای III-V با استفاده از محاسبات نظریة تابعی چگالی به روش امواج تخت بهبود یافته خطی بررسی شده اند. پس از بررسی چندین تابعی تبادلی-همبستگی، مشخص شد که تابعی های SOGGA و GGA-WC گزینه های مناسبی برای محاسبه خواص ساختاری ترکیبات مورد نظر هستند. برای محاسبة خواص الکترونی و به ویژه گاف انرژی، تابعی GGA-EV و پتانسیل تبادلی TB-mBJ همراه با تصحیح اسپین-مدار مورد تأیید قرار گرفت. نتایج نشان می دهند که پتانسیل تبادلی TB-mBJ+SOC گاف نواری این ترکیبات را با دقت بسیار خوبی محاسبه می کند. در مورد موادی مانند TlAs که گاف منفی دارند، مشخص شد که پتانسیل تبادلی TB-mBJ قادر به پیش بینی این گاف نیست و در حقیقت گاف بر روی صفر تنظیم می شود. برای محاسبة جرم مؤثر نیز از چندین روش استفاده شد و پس از مقایسه با داده های تجربی مشخص شد که، تابعی های GGA-PBE و GGA-EV این کمیت را به ترتیب برای مواد با گاف کوچک و گاف بزرگ با دقت خوبی محاسبه می کنند و البته بهترین نتایج جرم مؤثر با روش تابعی هیبرید HSEbgfit به دست آمد. همچنین، نتایج نشان می دهند که تصحیح اسپین-مدار باعث می شود تا نتایج جرم مؤثر محاسبه شده به مقادیر تجربی نزدیک تر شوند.

در این مقاله، یک ساختار دوبعدی از سلول های خورشیدی سیلیکونی لایه، نازک با ترکیبی از آرایه های نانو ذرات نقره و شبکة زاویه دار تناوبی معرفی شده است. نانوذر ات نقره با استفاده از اثر تشدید پلاسمون سطحی، ضریب انتقال نور به داخل را افزایش می دهند در نتیجه با افزایش در صد نور فرودی به درون لایة فعال، احتمال جذب فوتون را بهبود می بخشد. برای ایجاد یک ساختار بازتابنده در سطح تحتانی، آرایه ای از شبکة زاویه دار با هدف افزایش طول مسیر نوری در داخل سلول، به کار گرفته شده است. با استفاده از روش FDTD، ضریب انتقال و بازتاب نور در هر دو سطح فوقانی و تحتانی در گسترة طول موج 400 تا 1000 نانومتر بررسی شده و تأثیر پارامترهای ساختاری از جمله شعاع، فاصلة نانوذرات، زاویة پراکنش و فاصلة شبکه گزارش شده است. در نهایت، دو سطح را با هم ترکیب کرده و میانگین موزون فوتون هایی که به وسیلة لایة فعال در کل طول موج های مورد مطالعه جذب شده، محاسبه شده است. نتایج نشان می دهند که بازدهی به دام اندازی نور با تغییر پارامترهای ساختاری ارتقا پیدا می کند.

نقیصه های بلوری نقش بسیار مؤثری در استحکام و خواص مکانیکی مواد دارند. آلیاژ Zr-1%Nb به دلیل سطح مقطع جذب پایین برای نوترون های حرارتی، مقاومت در برابر خوردگی در آب، و همچنین خواص مکانیکی مناسب، کاربرد وسیعی در راکتورهای هسته ای دارد. این آلیاژ در دماهای پایین و به ازای غلظت های کم نیوبیوم، ساختار HCP دارد. در این پژوهش ما با استفاده از محاسبات ابتدا به ساکن نظریة تابعی چگالی و همچنین استفاده از پتانسیل بین اتمی در دینامیک مولکولی، به بررسی خواص نقیصه های نقطه ای مانند تهی-جای و خود-بین-نشین در ساختار زیرکونیوم خالص پرداخته ایم. انرژی و حجم تشکیل تهی-جای و خود-بین-نشین محاسبه شده اند و نتایج توافق خوبی با تجربه دارد. کمیت های فوق در مورد آلیاژ Zr-1%Nb نیز به دست آمده اند و نتایج تفاوت چندانی با مورد Zr خالص نشان نمی دهند. همچنین برهم کنش بین دو تهی-جای بررسی شده و با محاسبة انرژی پیوندی خوشه های تهی-جای دوتایی برای پیکربندی های متفاوت نشان داده شده که فقط خوشه هایی پایدارند که در آنها تهی-جای ها در همسایگی اول قرار داشته باشند. در نهایت انرژی جابه جایی یک تهی-جای در صفحه قاعده نیز محاسبه شد که توافق خوبی با مقدار تجربی دارد.

درک رفتار حرارتی و فرایندهای مرتبط با انتقال حرارت در سوخت هسته ای UO2 در راکتور هسته ای اهمیت بسیاری در پیش بینی کارایی سوخت دارد. اگر انتقال حرارت، که یک پارامتر مهم در توزیع دما در سوخت هسته ای است، به خوبی صورت نگیرد، باعث بالا رفتن دما در سوخت شده و منجر به ذوب آن می شود که حوادث زیست محیطی را در پی خواهد داشت. در این پژوهش، با توصیف ساده حالت پارامغناطیس توسط محاسبات غیر-اسپین-قطبیده، و صرف نظر کردن از اعمال تصحیح هابارد، خواص حرارتی و فونونی بلور UO2 محاسبه شده است. این محاسبات مبتنی بر روش های نظریة تابعی چگالی (DFT) و نظریة اختلال تابعی چگالی (DFPT) است. در تعیین خواص ارتعاشات شبکه با استفاده از روش جابه جایی محدود، ثابت های نیروی مرتبة دوم و مرتبة سوم را به دست آورده و با استفاده از آنها کمیت هایی مانند گرمای ویژه در حجم ثابت، پارامتر گرونایزن، نرخ پراکندگی سه فونونی، نرخ پراکندگی ناشی از درصدهای ایزوتوپی مختلف و در نهایت رسانش حرارتی انباشته را برای درصدهای ایزوتوپی مختلف محاسبه کرده ایم. نتایج نشان داد که گرمای ویژة محاسبه شده در تقریب هارمونیک تطابق خوبی با تجربه، به ویژه در دماهای زیر 400 کلوین، دارد. نتایج مربوط به نرخ پراکندگی سه فونونی به ازای دماهای مختلف نشان داد که افزایش دما باعث افزایش نرخ پراکندگی و در نتیجه کاهش رسانش حرارتی می شود. نتایج همچنین نشان داد که وجود ناخالصی ناشی از درصدهای ایزوتوپی مختلف تأثیر محسوسی در نرخ پراکندگی ندارد.

در تلاش برای توصیف مکانیک کوانتومی و مکانیک کلاسیک با زبان مشترک، یک معادله ی موج برای گذار پیوسته از مکانیک کوانتومی به مکانیک کلاسیک پیشنهاد شده است. همچنین ثابت شده این معادله ی غیرخطی با یک معادله ی خطی موسوم به معادله ی مقیاس شده که همان معادله ی شرودینگر با ثابت پلانک مقیاس شده به جای ثابت پلانک مرسوم است، هم ارز است. با استفاده از این معادلة سه پدیده ی جالب توجه تونل زنی از یک سد پتانسیل مستطیلی، بازتاب کامل از یک دیوار سخت و اصل هم ارزی ضعیفِ گرانشی که از اهمیت زیادی در فیزیک برخوردارند، در نواحی کوانتومی، گذار و کلاسیک مطالعه خواهند شد. معادله ی مقیاس شده ی مستقل از زمان برای حالت های مانا به دست آمده و برای شاری از ذراتی که به سد می تابند حل می شود. روابط نشان می دهند احتمال تونل زنی در رژیم کلاسیک دقیقاً صفر است. برای دیگر مسائل، از بسته موج گوسی برای محاسبه ی مقدار انتظاری مکان در مسئله ی بازتاب از دیوار سخت و محاسبه ی احتمال آشکار سازی و زمان ورود در مسئله هم ارزی ضعیف گرانشی استفاده می کنیم.

ما در این مقاله با استفاده از معادلة تصادفی پخش-پرش که برای بازتولید فرایندهای تصادفی ناپیوسته به کار می-رود و تعمیمی برای معادلة لانژوین است، به بررسی سری زمانی الکتروکاردیوگرام مربوط به فعالیت الکتریکی ضربان قلب سه گروه شامل افراد سالم، افراد با فیبریلاسیون دهلیزی و افراد با کژآهنگی بطنی می پردازیم. ابتدا نشان می-دهیم که سری زمانی الکتروکاردیوگرام یک فرایند ناپیوسته بوده و معادلة پخش-پرش رهیافت مناسبی برای مدل-سازی این سری زمانی است. سپس، با محاسبة ضرایب کرامرز-مویال مربوط به این معادله برای این افراد، نشان می دهیم که تفاوت قابل توجهی میان دینامیک یک قلب سالم و یک قلب دارای نارسایی وجود دارد. در آخر معیاری را معرفی می کنیم که می توان از آن برای تشخیص نارسایی قلبی استفاده کرد.

از آنجایی که کوارک تاپ دارای جفت شدگی یوکاوای بزرگی است، مطالعة بخش هیگز-تاپ برای جستجوی هر انحرافی از پیش بینی مدل استاندارد بسیار مورد توجه است. در این مقاله، ما به مطالعة تولید بوزون هیگز در کانال هم جوشی گلوئون-گلوئون در حضور فرایندهای تغییر دهندة طعم کوارک تاپ از طریق جریان های خنثی (FCNC) در برخورد دهندة LHC خواهیم پرداخت. برای جستجوی اثرات فیزیک جدید از چارچوب نظریه میدان مؤثر بهره خواهیم جست. دامنة احتمال تولید هیگز به وسیلة فرایندهای FCNC و شدت سیگنال به صورت نظری محاسبه می شود. سپس از مقایسة این نتایج نظری با نتایج حاصل از آزمایش برخورد دهندة LHC، ناحیة مجاز برای جفت شدگی های FCNC که در تولید بوزون هیگز نقش دارند، استخراج می شود.

امروزه انواع مختلفی از چشمه های یونی توسعه پیدا کرده اند که یکی از متداول ترین آنها چشمة یونی پنینگ است. این چشمه با توجه به سادگی ساختار و طول عمر بالاتر نسبت به سایر چشمه ها، بیشتر مورد توجه قرار می گیرد. در این مقاله طراحی و شبیه سازی چشمة یونی پنینگ با استفاده از نرم افزار CST انجام و تأثیر عوامل مختلف روی باریکة یون خروجی از این چشمه بیان شده است. از بین چیدمان های مختلف آهنربای دائمی دور چشمه، چیدمان دربرگیرندة حلقه ای برای محصورسازی ذرات داخل چشمه مناسب تر است. بهترین پتانسیل آند، کاتد و الکترود استخراج هم به ترتیب 15+، 500-و 3000-ولت به دست آمده است. برای انتقال باریکه خروجی از سیستم استخراج، الکترودهای کند کننده و شتاب دهنده مورد استفاده قرار گرفته اند. در بخش متمرکزسازی باریکه نیز لنزهای تعلیقی عملکرد بهتری نسبت به لنزهای غوطه ور دارند.

در این مقاله، به مطالعة رفتار الکترون های برهم کنشی روی شبکة مربعی در حضور برهم کنش اسپین-مدار راشبا و در حد همبستة قوی می پردازیم. ابتدا با استفاده از نظریة اختلال مرتبة دو، مدل اسپینی موثر برای مدل راشبا-هابارد را در این حد به دست می آوریم. مدل اسپینی مؤثر شامل برهم کنش های همسانگرد، هایزنبرگ همسایة اول و دوم و همچنین جملات ناهمسانگرد کین-ملِ و ژیالوشینسکی-موریا است. در ادامه، اثر برهم کنش اسپین-مدار راشبا را در پایداری فاز های مغناطیسی مدل هایزنبرگ همسانگرد با استفاده از روش های کلاسیکی لاتینجر-تیزا و کمینه سازی وردشی بررسی می کنیم. محاسبات کلاسیکی مؤید آن است که وجود جملات تبادلی ناهمسانگرد در هامیلتونی مؤثر، باعث ناپایداری فازهای نل، واگن کلاسیکی و ستونی مدل هایزنبرگ همسانگرد به فاز پیچشی درون صفحه ای xz وyz می شود. قابل ذکر است که اثر افت و خیزهای کوانتومی می تواند منجر به پایداری فاز مایع اسپین کوانتومی در این سامانه های ناکام با نظم پیچشی شود. در ساختارهای لایه ای که شامل ماده ابررسانایی تک تایی در تماس با ماده مغناطیسی با نظم پیچشی است، جفت های کوپر تک تایی، به خاطر شکست تقارن دورانی اسپین، به جفت های کوپر ابررسانایی از نوع موج-p تبدیل می شوند. ابررساناهای نامتعارف نوع موج-p، سامانه های مناسب برای مطالعة ابررسانایی توپولوژی و مایوران های فرمیونی هستند.

وجود ذرات به اندازه کافی سبک در نظریة بنیادی توصیف کنندة جهان پیرامونی، می تواند باعث ناپایداری سیاهچاله های چرخان شود که به این پدیده اَبَرتابش گفته می شود. به طور خاص اَکسیون و ذرات شبه-اَکسیونی نامزدهای مناسبی برای ایجاد چنین پدیده ای هستند. در اثر این ناپایداری، ابرِ اَکسیونی با چگالی بالا در اطراف سیاهچاله تشکیل می شود. به سیستم ساهیچاله و ابرِ اَکسیونی، اتم گرانشی اطلاق می شود. بررسی تحول این اتم گرانشی می تواند منجر به کشف اکسیون شود و یا قیدهای جدیدی بر فضای پارامتری اَکسیون ها معرفی کند. با در نظر گرفتن جملات برهم کنشی اَکسیون– فوتون و نیز اَکسیون با خودش می توان دید که ابرِ اَکسیونی تحت شرایطی ناپایدار می شود. منشأ این ناپایداری ها تشدیدِ پارامتری است که می تواند اثرات مشاهده پذیر داشته باشد. ما در این مقاله، با در نظر گرفتن باقی عوامل مؤثر در تحول ابرِ اَکسیونی حد بالا برای نرخ این ناپایداری به دست می آوریم. نتایج به دست آمده نشان می دهد که برای ساده ترین مدل های اَکسیونی این ناپایداری با نرخ بسیار کمی اتفاق می افتد؛ چرا که قبل از مؤثر شدن تشدید، خود برهم کنش ذرات باعث رمبش ابر اکسیونی می شود. ولی برای برخی مدل های خاص، تشدید می تواند به مقدار کافی بزرگ باشد تا اثرات مشاهده پذیر ایجاد کند. به علاوه، نشان خواهیم داد که تشدید ناشی از خود برهم کنش هیچ گاه به حد مؤثر خود نمی رسد.

سیاه شامة اینشتین-یانگ-میلز در فضای پاددوسیته با میدان پیمانه ای (2)SU معرفی شده و با استفاده از تناظر نظریه میدان-گرانش، رسانندگی غیر آبلی جریان مستقیم رنگ محاسبه شده است.

اخیراً مدل هایزنبرگ-کیتائوی گسترده برای توصیف عایق های مات اسپین-مدار لایة نظیر اکسید ایریدیت ها و با شبکة لانه زنبوری مطرح شده است. در این مقاله با شروع از مدل آلاییدة با حفره، پایداری فازهای ابررسانایی اسپین-تک تایی و-سه تایی را به خاطر رقابت بین برهم کنش های تبادلی فرومغناطیس و پادفرومغناطیس بررسی می کنیم. حل عددی خودسازگار معادلات گاف خطی نشان می دهد که برهم کنش های تبادلی هایزنبرگ و کیتائوی فرومغناطیس به تنهایی می توانند باعث پایداری فاز ابررسانایی اسپین-سه تایی در این دسته از مواد شوند. در ضمن، برهم کنش غیرقطری منجر به گسترش ناحیة حالت اسپین-سه تایی در سیمای فازِ مدل آلاییدة هایزنبرگ-کیتائو با و می شود. همچنین نتایج نشان می دهد که برهم کنش غیرقطری فرومغناطیس به تنهایی در مقابل برهم-کنش های هایزنبرگ و کیتائوی پادفرومغناطیس نمی تواند باعث پایداری فاز موج-p شود.

جذب نور کانونی شده در داخل الکترولیتِ آبی، موجب گرم شدنِ موضعیِ آن و ایجاد گرادیان میدانِ دما، پیرامونِ ناحیة جاذبِ نور، می شود. بر اساس پدیده ای به نام اثر سُره، یون های مثبت و منفی در حضورِ میدان دما به سمت ناحیة گرم تر و یا سردتر حرکت می کنند؛ اما این تمایل و حرکت برای دو نوع یون یکسان نیست، و یکی از دو نوع یون بیش از دیگری در ناحیة کانونی مجتمع می شود. این به معنای ایجاد بار الکتریکیِ خالص و معلق در سیال، در ناحیة جاذبِ گرما است. اِعمال میدان الکتریکی خارجی به این سیال، موجبِ اعمال نیرو به بارِ خالصِ جمع شده و در نتیجه حرکت سیال خواهد بود. ما این مسئله را برای سیال الکترولیت محصور در میانِ دو تیغة دی الکتریک شفاف، که در فاصلة کمی از یکدیگر قرار گرفته اند، به دو روش تحلیلی و اِلمانِ محدود بررسی می کنیم. در ابتدا میدان دماییِ ایجاد شده توسط باریکة گوسیِ نور در داخل و خارج الکترولیت را محاسبه می کنیم. سپس پتانسیل الکتریکی و چگالی بار را در ناحیة مربوطه به دست می آوریم و در گامِ آخر نیز میدان برداریِ سرعت سیال و کل جریانِ ایجاد شده محاسبه می شوند. نتایج تحلیلی و عددی به خوبی یکدیگر را تأیید می کنند.

این مقاله اثر پارامترهای عملیاتی از قبیل درجه حرارت محیط و ولتاژ اعمالی بر زمان مرگ یک شمارنده گایگر-مولر از نوع دیواره نازک با استفاده از مدل وقفه پذیر و روش دو-چشمه استاندارد بررسی شده است. مطالعات تجربی با استفاده از چشمه های Cs137 و 90Sr در ولتاژهای بین ولت600 تا 800 ولت و در بازه ی دمایی 27-تا 70 درجه سانتی گراد انجام شده است. نتایج بررسی ها برای ولتاژ اعمالی نشان می دهند که رفتار زمان مرگ برحسب ولتاژ را می توان در سه ناحیه مجزا دسته بندی کرد. در ناحیهI (ولتاژهای ولتاژهای پایین) زمان مرگ با افزایش ولتاژ کاهش می یابد، در ناحیه II (ولتاژهای نزدیک به ولتاژ کارشمارنده)، زمان مرگ تقریبا ثابت است. در ناحیهIII ) ولتاژهای بالاتر از 740 ولت) با افزایش ولتاژ، زمان مرگ بطور کند و خطی افزایش می یابد. تغییرات زمان مرگ برحسب ولتاژ در ناحیهI بیشتر از ناحیه III است. ناحیهII با حداقل زمان مرگ و کمترین تغییرات نسبت به ولتاژ اعمالی بهترین منطقه عملیاتی است. مطالعات نشان می دهند میزان تغییرات زمان مرگ و میزان گستردگی فلات زمان مرگ ( ناحیه II) برای چشمه 137Cs و چشمه 90Sr متفاوت است. زمان مرگ با استفاده از چشمه 137Csبین 58 تا 78 میکرو ثانیه و با استفاده از چشمه 90Sr بین 79 تا 130 میکرو ثانیه بدست آمد. بطور کلی برای هریک از نواحی I، II و III تغییرات زمان مرگ برحسب ولتاژ برای چشمه90Sr نسبت چشمه 137Cs کمتر است. نتایج تجربی همچنین نشان می دهند که زمان مرگ با افزایش دما، افزایش می یابد.