Научная статья на тему 'Наноэлектромеханические системы переходных 4d-металлов (Ru, Rh, Pd) как двухэлектронные накопители аттосекундных импульсов энергии'

Наноэлектромеханические системы переходных 4d-металлов (Ru, Rh, Pd) как двухэлектронные накопители аттосекундных импульсов энергии Текст научной статьи по специальности «Физика»

CC BY
94
15
Поделиться
Ключевые слова
НАНОЭНЕРГЕТИКА МАТЕРИАЛОВ / КВАНТОВЫЕ НЭМС / НАНОБОТЫ / КИНЕТИКА РЕЛАКСАЦИИ / РУТЕНИЙ / РОДИЙ / ПАЛЛАДИЙ / КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ / NANO ENERGY OF MATERIALS / QUANTUM NEMS / NANOBOT / KINETICS OF RELAXATION / RUTHENIUM / RHODIUM / PALLADIUM / COMPUTER MODELING

Аннотация научной статьи по физике, автор научной работы — Безносюк Сергей Александрович, Жуковский Марк Сергеевич, Маслова Ольга Андреевна, Максимов Дмитрий Юрьевич, Неудахин Александр Геннадьевич

Рассмотрена релаксационная трансформация НЭМС наноботов в ГЦК структуре 4d-переходных металлов (Ru, Rh, Pd). Объектами исследования являются ограниченные плоскостями типа (100) 256-атомные кубы ГЦК-решетки при температуре 298 К и нулевом давлении, которые под действием аттосекудного импульса мягкого рентгена переходят в запутанное когерентное двухэлектронное возбужденное состояние квантового НЭМС нанобота. Расчет энергии взаимодействия внутри наноботов проведен методом нелокального функционала плотности в орбитально-оболочечном приближении. Квантовая релаксация неравновесных состояний найдена методом нанобот-кинетики. Показано, что самоорганизацией НЭМС через особые промежуточные неравновесные квазистационарные состояния с характерными одно-и двухчастичными распределениями происходит накопление остаточной энергии в наноботах. За время аттосекундного поглощения первичного импульса энергии двухэлектронным возбуждением образуется квантовая НЭМС нанобота. На первом этапе релаксации происходит расширение нанобота без нарушения характера однои двухчастичных распределений ядер. Для всех трех металлов первая мода спонтанной самоорганизации нанобота в кубоид с выпукловогнутыми гранями происходит на первой пикосекунде. Вторая мода самоорганизации нанобота идет спустя десятки пикосекунд за счет согласованной сдвиговой трансформации его объемной и граничных частей. Она остается устойчивой к флуктуациям энергии. Запасенная энергия в наноботах соответствует квантам энергии мягкого рентгеновского излучения 950 эВ (Ru 256), 1058 эВ (Rh 256) и 425 эВ (Pd 256).

Похожие темы научных работ по физике , автор научной работы — Безносюк Сергей Александрович, Жуковский Марк Сергеевич, Маслова Ольга Андреевна, Максимов Дмитрий Юрьевич, Неудахин Александр Геннадьевич

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Nanoelectromechanical Systems of 4d-Transition Metals (Ru, Rh, Pd) as the Two-Electron Storage Device of Attosecond Energy Pulses

The relaxation transformation of the nanoelectromechanical system (NEMS) of nanobots in the face-center-cubic (fcc) structure of 4d-transition metals (Ru, Rh, Pd) is considered in this paper. The objects of study are 256-atom cube-shaped clusters with fcc lattices limited by planes of (100) at a temperature of 298 K and zero pressure. These clusters have transitioned to the entangled two-electron coherent excited state of the nanobot quantum NEMS under the soft X-ray attosecond pulse. The calculation of interaction energy inside nanobots are performed by the nonlocal density-functional theory method with the orbital envelope approximation. It is shown that residual energy accumulation in the nanobots is the result of NEMS self-organization though special intermediate nonequilibrium quasistationary states with specific oneand two-particle distributions. The nanobot quantum NEMS is formed by two-electron excitation process during an attosecond absorption of the primary pulse. At the first stage of relaxation, the nanobot is expanded while keeping one and two-particle distribution of nuclei. For all the metals (Ru, Rh, Pd), the first mode of spontaneous nanobot self-organization while transitioning into a cuboid with convex-concave faces occurs in the first picosecond. The second mode of nanobot selforganization occurs after tens of picoseconds due to a coherent shear transformation of nanobot bulk and boundary parts. It remains resistant to energy fluctuations. Energy stored in nanobots corresponds to soft X-ray energy quanta 950 eV (Ru 256), 1058 eV (Rh 256) и 425 eV (Pd 256).

Текст научной работы на тему «Наноэлектромеханические системы переходных 4d-металлов (Ru, Rh, Pd) как двухэлектронные накопители аттосекундных импульсов энергии»

УДК 533.9

Наноэлектромеханические системы переходных 4d-металлов (Ru, Rh, Pd) как двухэлектронные накопители аттосекундных импульсов энергии

С.А. Безносюк, М.С. Жуковский, О.А. Маслова, Д.Ю. Максимов, А. Г. Неудахин

Алтайский государственный университет (Барнаул, Россия)

Nanoelectromechanical Systems of 4d-Transition Metals (Ru, Rh, Pd) as the Two-Electron Storage Device of Attosecond Energy Pulses

S.А. Beznosyuk, M.S. Zhukovsky, О.А. Maslova, D.Yu. Maksimov, А.G. Neudahin

Altai State University (Barnaul, Russia)

Рассмотрена релаксационная трансформация НЭМС наноботов в ГЦК структуре 4d-переходных металлов (Ru, ЯЪ, Pd). Объектами исследования являются ограниченные плоскостями типа (100) 256-атомные кубы ГЦК-решетки при температуре 298 К и нулевом давлении, которые под действием аттосекудного импульса мягкого рентгена переходят в запутанное когерентное двухэлектронное возбужденное состояние квантового НЭМС нанобота. Расчет энергии взаимодействия внутри наноботов проведен методом нелокального функционала плотности в орбиталь-но-оболочечном приближении. Квантовая релаксация неравновесных состояний найдена методом на-нобот-кинетики. Показано, что самоорганизацией НЭМС через особые промежуточные неравновесные квазистационарные состояния с характерными одно-и двухчастичными распределениями происходит накопление остаточной энергии в наноботах. За время аттосекундного поглощения первичного импульса энергии двухэлектронным возбуждением образуется квантовая НЭМС нанобота. На первом этапе релаксации происходит расширение нанобота без нарушения характера одно- и двухчастичных распределений ядер. Для всех трех металлов первая мода спонтанной самоорганизации нанобота в кубоид с выпукло-вогнутыми гранями происходит на первой пикосе-кунде. Вторая мода самоорганизации нанобота идет спустя десятки пикосекунд за счет согласованной сдвиговой трансформации его объемной и граничных частей. Она остается устойчивой к флуктуациям энергии. Запасенная энергия в наноботах соответствует квантам энергии мягкого рентгеновского излучения 950 эВ (й^), 1058 эВ и 425 эВ (Р«^«).

The relaxation transformation of the nanoelectromechanical system (NEMS) of nanobots in the face-center-cubic (fcc) structure of 4d-transition metals (Ru, Rh, Pd) is considered in this paper. The objects of study are 256-atom cube-shaped clusters with fcc lattices limited by planes of (100) at a temperature of 298 K and zero pressure. These clusters have transitioned to the entangled two-electron coherent excited state of the nanobot quantum NEMS under the soft X-ray attosecond pulse. The calculation of interaction energy inside nanobots are performed by the nonlocal density-functional theory method with the orbital envelope approximation. It is shown that residual energy accumulation in the nanobots is the result of NEMS self-organization though special intermediate nonequilibrium quasistationary states with specific one- and two-particle distributions. The nanobot quantum NEMS is formed by two-electron excitation process during an attosecond absorption of the primary pulse. At the first stage of relaxation, the nanobot is expanded while keeping one and two-particle distribution of nuclei. For all the metals (Ru, Rh, Pd), the first mode of spontaneous nanobot self-organization while transi-tioning into a cuboid with convex-concave faces occurs in the first picosecond. The second mode of nanobot self-organization occurs after tens of picoseconds due to a coherent shear transformation of nanobot bulk and boundary parts. It remains resistant to energy fluctuations. Energy stored in nanobots corresponds to soft X-ray energy quanta 950 eV (Ru256), 1058 eV (Rh256) h 425 eV (Pd256).

Ключевые слова: наноэнергетика материалов, квантовые НЭМС, наноботы, кинетика релаксации, рутений, родий, палладий, компьютерное моделирование.

DOI 10.14258/izvasu(2015)1.2-01

Key words: nano energy of materials, quantum NEMS, nanobot, kinetics of relaxation, ruthenium, rhodium, palladium, computer modeling.

Введение. Одной из актуальных задач нано-технологий является разработка принципов и фундаментальных основ инжиниринга квантовых наноэлектромеханических систем (НЭМС) функциональных биомиметических наномашин в материалах. Областью применения НЭМС нанодотов и на-ноботов будут нанотехнологии нового поколения, базирующиеся на аттосекундной точности манипулирования процессами самосборки и самоорганизации биомиметических наноматериалов, которые должны обеспечить повышение эффективности производства, хранения и утилизации энергии, информации, создание принципиально новых наноустройств со свойствами сверхбыстрой адаптации к окружающей среде и сверхскоростными ресурсами интеллекта. Именно долгосрочная цель создания адаптивной к внешним условиям кибернетической среды квантовых НЭМС является наиболее приоритетной в развитии таких нанотехнологий.

Сегодня нанотехнологии используют точечное накопление энергии в активных центрах квантово-раз-мерных статичных НЭМС (нанодот) для трансформации микроструктуры материалов. Нанодот — это когерентная квантовая ядерно-электронная система с разделенными электронными зарядами. Квантовые механизмы генерации и активного действия нанодо-тов базируются на накоплении энергии одноэлектрон-ных (экситонных) возбуждений, которые характерны для линейного отклика материалов на воздействие импульсов излучений инфракрасного и оптического диапазонов с энергией 0,01-10 эВ. Длительное сохранение накопленной энергии в нанодоте определяется эффективностью когерентной вибронной связи его электронного экситона с ядерной подсистемой. В отличие от нанодотов в квантовых механизмах генерации и активного действия мобильных НЭМС (нано-ботов) основную роль играют эффекты накопления энергии двухэлектронными возбуждениями, когерентно запутанными между собой и с ядерной подсистемой. Такие возбуждения характерны для нелинейного отклика материалов на воздействие сверхсжатых импульсов жесткого ультрафиолета и мягкого рентгена с энергией 10-1000 эВ.

Теория и компьютерное моделирование квантовых НЭМС нанодотов и наноботов материалов начали развиваться 10 лет назад в рамках квантово-поле-вой концепции физики и химии конденсированного состояния [1, 2]. Эта концепция является обобщением традиционных подходов квантовой теории дефек-

тов твердых тел — она объединяет микроскопические (квантовые, дискретные) и макроскопические (полевые, континуальные) подходы и методы описания конденсированного состояния в рамках формализма вторичного квантования открытых квантово-полевых систем [3]. В квантово-полевой концепции описывается более обширный круг компактных физических объектов конденсированного состояния, чем в традиционной квантовой теории твердых тел. Именно на-ноботы конденсированного состояния представляют собой неравновесные квантовые компактные объекты, которые не могут быть описаны методами и подходами квантовой физикохимии вещества. Для описания физики и химии квантовых НЭМС наноботов требуются специальные методы термополевой динамики и квантово-полевой химии конденсированного состояния [4, 5].

Особенность квантовых НЭМС наноботов заключается в том, что они представляют собой результат спонтанного нарушения динамической симметрии (СНДС) квантового поля электронов конденсированного состояния, когда внутри матрицы материала возникает квантовый параметр порядка — когерентность движения пар электронов. Вибронный механизм квантовой когерентности электронных пар выдвинут недавно в качестве основного при объяснении парадоксальных свойств накопления и передачи энергии в активных центрах фотосинтеза [6- 8]. Отличительной спецификой квантовых НЭМС на-ноботов является то, что в них механизм квантовой когерентности пар электронов является результатом квантовой запутанности движения электронов и ядер в компактной области конденсированного состояния [9, 10]. Квантовая когерентность движения их ядер и электронов обеспечивает длительную консервацию энергии двухэлектронных возбуждений в на-ноботах и возможность направленной передачи ее в активные центры для трансформации в другие формы энергии: механическую, химическую, электрическую, магнитную.

В рамках данной статьи на первый план выходит анализ кинетических особенностей дискретно-когерентных на фемтосекундных интервалах времени процессов накопления и рассеяния энергии наноботами триады 4^переходных металлов группы палладия. Активные центры этих металлов известны как эффективные катализаторы химических реакций.

Моделирование квантовой релаксации НЭМС Ru, Rh, Pd. Квантовая кинетика процессов релакса-

ции наноботов моделируется дискретным движением компактного квантового автомата-нанобота ядер с когерентным двухэлектронным приводом. Длительность когерентных стадий составляет от десятых долей до десятков фемтосекунд с декогеренцией на сотые доли фемтосекунды. Квантовая релаксация нанобо-тов исключает безызлучательную диссипацию энергии в тепловые колебания атомов матрицы и не приводит к ее разогреву и тепловому взрыву. Это связано с тем, что основным каналом энергообмена нанобота с матрицей в конденсированном состоянии является когерентный двухэлектронный перенос в зарядово-разделенных состояниях системы «нанобот-матрица». Время переноса значительно меньше периода колебаний атомов, и омические тепловые потери при когерентном запутанном двухэлектронном переносе в этой системе исключены. Они определяют преимущества наноботов над нанодотами, имеющими типичную квазистационарную кинетику процессов релаксации [11]. Основы компьютерного моделирования наноботов методом нанобот-кинетики (НК) были впервые изложены в статье [12] и обобщены в монографии [13]. Применение метода НК в задачах моделирования эволюции наноботов в матрицах металлов и полупроводников является новым этапом в исследовании фундаментальных основ инженерных наук в области нанотехнологий [14].

Исследование деталей механизмов и кинетики самосборки и самоорганизации НЭМС активных центров накопления энергии в виде компактных или фрактальных наноботов металлов и полупроводников требует использования специальных величин: энергетических квазипотенциалов, действующих внутри и между наноботами, квазиимпульсов транспорта наноботов и т. п. [15]. Для расчета таких величин необходимо применение специальных математических методов: нелокального функционала плотности, квантовой топологии плотности, квантовой информации плотности [16, 17]. В комплексных компьютерных экспериментах будут использованы специальные методы компьютерного моделирования на основе ранее разработанных программных комплексов общего назначения [18-20].

В компьютерном эксперименте начальное импульсное насыщение энергией исследуемых НЭМС кубоидов моделируется внезапным фиксированием их огранки плоскостями типа (100), фиксированием межатомных расстояний, соответствующих объемному кристаллу, и заменой межатомных кристаллических потенциалов на потенциалы межъядерных связей, которые действуют внутри НЭМС частицы (а-связи). Эти потенциалы рассчитаны методом нелокального функционала плотности [5] и представлены в таблице тремя характеристиками: равновесной энергией свя-

зи Б0, равновесной длиной связи Я0 и частотой нулевых колебаний ю0.

Характеристики межъядерной а-связи внутри НЭМС куба

Металл D0 (эВ) R0 (нм) ю0 (см-1)

Ru-Ru -0,619 0,307 125

Rh-Rh -0,680 0,302 130

Pd-Pd -0,270 0,297 80

Для упрощения сравнения результатов нами был выбран идеальный куб ГЦК-решетки, ограниченный плоскостями типа (100), содержащий 256 атомов.

Полная энергия связи нанобота в аппроксимации парных взаимодействий потенциалами Морзе имеет вид

E = VN е =VN •{-D

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

/ j n n / j n ^ e

n n

+De [ 1- exp ( - в (Rn - Re ))

(1)

где N — количество пар атомов, разделенных расстоянием Rn; De = Б0, Re = R0 и в=в (®0) — параметры потенциала типа Морзе, получаемые путем аппроксимации кривых потенциалов, приведенных в таблице; R — расстояния между ядрами в парной корреляционной функции атомов нанобота.

Кинетика релаксации НЭМС наноботов Ru256, Rh256, Pd256. На рисунках 1-9 представлены результаты компьютерного моделирования релаксации НЭМС наноботов рутения, родия и палладия в ГЦК структуре при температуре 298 К и нулевом давлении. На развертках релаксации в координатах «энергия связи / атом — время» временно живущие стационарные состояния выражаются в виде горизонтальных плато различной протяженности. Видно, что энергия испытывает значительные флуктуации на фоне общей закономерности ее понижения. Количество ловушек-интермедиатов на пути от начального неравновесного к финальному квазистационарному состоянию есть величина случайная, изменяющаяся при повторении модельного эксперимента с одного и того же стартового возбужденного состояния нанобота.

На рисунках показаны типичные формы и парные функции распределения ядер при самоорганизации в промежуточных неравновесных квазистационарных состояниях наноботов. Внизу рисунков 1, 3, 5 показаны уровни энергии связи на атом в исходной идеальной ГЦК — структуре этих металлов. Видно, что происходит остаточное запасание энергии в НЭМС наноботов.

-2.4С

С.СС 1С.СС 2С.СС ЗС.СС 4С.СС 5С.СС 60.СС 7С.СС SO.CC 90.0С 1СС.0С 110.00 120.00 13С.СС 14С.0С 15С.СС

Рис. 1. Релаксация НЭМС нанобота Яи256 во времени, Т = 298 К

¡с -

О ? 10 15 20 30 0 ' 1(1 15 20

I*, аО а0

Рис. 2. Форма и парная функция распределения g (Я) нанобота Яи256 на первой и финальной стадии релаксации

Рис. 3. Релаксация НЭМС нанобота Rh во времени, Т = 298 К

Рис. 5. Релаксация НЭМС нанобота Pd256 во времени, Т = 298 К

Выводы. Анализ представленных рисунков показывает, что во всех трех металлах группы палладия имеется примерно одинаковая последовательность стадий релаксационных процессов: за время аттосекундного поглощения первичного импульса энергии двухэлектронным возбуждением образуется насыщенная энергией НЭМС с неискаженной конфигурацией ядер нанобота в ГЦК-решетке. На первой стадии релаксации происходит однородное расширение НЭМС нанобота без нарушения характера одно-и двухчастичных распределений ядер. На второй стадии возникает первая мода спонтанной самоорганизации нанобота в кубоид с выпукло-вогнутыми гранями. Это происходит для рутения и родия на пер-

вой пикосекунде, а для палладия — на десятой доле пикосекунды. На третьей стадии первая мода искажений спонтанно теряет устойчивость и формируется вторая мода деформации. Эта мода спонтанной самоорганизации нанобота идет за счет согласованной сдвиговой трансформации его объемной и граничных частей. Формирующаяся после пятидесятой пикосекунды вторая мода остается для ЯЯи, Як Pd в дальнейшем устойчивой относительно квантовых флуктуаций. Аккумулированная энергия в на-ноботах относительно невозмущенной структуры металла составила 950 эВ (Яи256), 10 5 8 эВ (Я^56) и 425 эВ (Pd256). Эта энергия соответствует квантам мягкого рентгеновского излучения.

Библиографический список

1. Blencowe M. Quantum electromechanical systems // Physics Reports. — 2004. — Vol. 395, №. 3.

2. Fomin A.S., Zhukovskii M.S., Beznosyuk S.A. Modeling of nanomaterial structure based on quantum-sized me-soparticles // Russian Physics Journal. — 2006. — Vol. 49, №. 7.

3. Kim S.P. Nonequilibrium quantum evolution of open systems // Condensed Matter Physics. — 2000. — № 1 (21).

4. Умэдзава Х., Мацумото Х., Ташки М. Термополевая динамика и конденсированные состояния. — М., 1985.

5. Beznosjuk S.A., Minaev B.F., Dajanov R.D., Mulda-chmetov Z.M. Approximating quasiparticle density functional calculations of small active clusters: Strong electron correlation effects // Int. J. Quant. Chem. — 1990. — Vol. 38, №. 6.

6. Christensson N., Kauffmann H.F. et al. Origin of long-lived coherences in light-harvesting complexes // J. Phys. Chem. B. — 2014. — № 116 (25).

7. Halpin A., Johnson Ph.J.M. et al. Two-dimensional spectroscopy of a molecular dimer unveils the effects of vibronic coupling on exciton coherences // Nature Chemistry. — 2014. — № 6.

8. Romero E., Augulis R. et al. Quantum coherence in photosynthesis for efficient solar-energy conversion // Nature Physics. — 2014. — Advanced online publication. D0I:10.1038/nphys3017.

9. Beznosyuk S.A., Zhukovskii M.S., Potekaev A.I. The theory of motion of quantum electromechanical plas-moid nanobots in a condensed-state medium // Russian Physics Journal. — 2013. — Vol. 56, №. 5.

10. Beznosyuk S.A., Zhukovsky M.S., Zhukovsky T.M. Theory and Computer Simulation of Quantum NEMS Energy Storage in Materials // International Journal of Na-noscience. — 2015. — Vol. 14, №. 1, 2. D0I:10.1142/ S0219581X14600230.

11. Давыдов А.С. Квантовая механика : учебное пособие. — 3-е изд. — СПб., 2011.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

12. Безносюк С.А., Важенин С.В., Жуковский М.С., Жуковская Т.М., Маслова О.А. Компьютерное моделиро-

вание алгоритмической эволюции квантово-размерных на-ночастиц // Фундаментальные проблемы современного материаловедения. — 2006. — Т. 3, № 4.

13. Жуковский М.С., Безносюк С.А., Потекаев А.И., Старостенков М.Д. Теоретические основы компьютерного наноинжиниринга биомиметических наносистем. — Томск, 2011.

14. Жуковский М.С, Безносюк С.А., Ванчинкхуу Дж. Теоретические основы и компьютерное моделирование фемтосекундного импульсного синтеза активных центров наноструктурных превращений материалов // Фундаментальные проблемы современного материаловедения. — 2013. — Т. 10, № 2.

15. Beznosyuk S.A. Modern quantum theory and computer simulation in nanotechnologies: Quantum topology approaches to kinematical and dynamical structures of self-assembling processes // Materials Science & Engineering C. — 2002. — Vol. 19/1.

16. Безносюк С.А., Жуковский М.С., Жуковская Т.М. Топологические и энергетические особенности потенциалов позиционирования и транспорта в наносистемах // Известия вузов. Физика. — 2001. — Т. 44, № 2.

17. Beznosyuk S.A., Kolesnikov A.V., Mezentzev D.A., Zhukovsky M.S., Zhukovsky T.M. Dissipative processes of information dynamics in nanosystems // Materials Science & Engineering C. — 2002. — Vol. 19, № 1.

18. Безносюк С.А., Жуковский М.С., Важенин С.В., Лерх Я.В. Компьютерная нанотехнология (КомпНано-Тех) // Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2009613043 от 10 июня 2009.

19. Безносюк С.А., Жуковский М.С., Важенин С.В. Компьютерный наноинжиниринг // Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2010612461 от 07.04.2010.

20. Безносюк С.А., Жуковский М.С., Важенин С.В., Гришко М.С., Маслова О.А. КомпНаноДизайн // Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ N2014610930 от 20.01.2014.