Основным направлением работы отдела квантовой физики и химии (ОКФХ) является развитие методов расчета электронной структуры молекул и материалов, содержащих тяжелые атомы, включая актиноиды, лантаноиды и тяжелые переходные металлы. Целью является разработка методик и программ, которые дают возможность выполнять очень точные расчеты при наименьших вычислительных затратах. Это может быть достигнуто с помощью «двухшаговых» подходов, в которых расчет электронной структуры молекул с тяжелыми атомами и их физико-химических свойств разбит на два последовательных расчета: сначала в валентной области химического соединения (с использованием прецизионных релятивистских псевдопотенциалов, см. сайт ОКФХ), а затем ‒ в остовах тяжелых атомов (с использованием процедур восстановления четырехкомпонентной волновой функции). Эта работа была инициирована в начале 80-х годов прошлого века в ПИЯФ профессором Л.Н. Лабзовским и обусловлена важностью расчета и экспериментальных поисков эффектов несохранения временнóй инвариантности (Т) и пространственной четности (P), включая поиски гипотетического «электрического дипольного момента электрона» (eЭДМ). Поиски проявлений «новой физики» за пределами Стандартной модели продолжаются и в настоящее время в исследованиях, выполняемых сотрудниками лаборатории квантовой химии (ЛКХ) и группы физики ядра и элементарных частиц в молекулах (ГФЯЭЧМ). Уже на протяжении более 30 лет точность, достигаемая в этих расчетах, является рекордной в мире.
За прошедшее с начала первых расчетов время номенклатура систем, планируемых для поиска еЭДМ изменилась. В настоящее время, помимо двухатомных она включает и многоатомные молекулы. Как впервые показано в работах ЛКХ физика Т,Р-нечетных эффектов в таких системах более сложная и в настоящий момент является предметом дальнейшего исследования. Разрабатываемая в ЛКХ теория молекул во внешних переменных полях оказалась очень плодотворной для изучения систематических эффектов в экспериментах по поиску Т,Р-нечетных эффектов.
Другим важным направлением работы ЛКХ является построение прецизионных «обобщенных» релятивистских эффективных потенциалов остова (ОРЭПО) (или «гатчинских» релятивистских псевдопотенциалов, ГРПП) для атомов, включая варианты ГРПП со «сверхмалым остовом» для актиноидов и с «пустым остовом» для легких элементов. Это предложенное нами ранее обобщение метода релятивистского псевдопотенциала, активно используемого для сокращения вычислительных затрат в расчетах электронной структуры и физико-химических свойств молекул, кластеров и кристаллов, позволило на порядок и выше поднять точность расчетов с псевдопотенциалами. К настоящему времени гатчинские псевдопотенциалы построены для всех элементов Периодической таблицы Д.И. Менделеева и доступны на сайте ОКФХ.
И наконец, в ЛКХ активно выполняются теоретические исследования электронной структуры и свойств металлоорганических соединений, функциализированных эндоэдральных фуллеренов для ядерной медицины, МРТ и других приложений.
ГФЯЭЧМ также занимается исследованиями нейтральных и малозарядных атомов и молекул, которые направлены на получение информации о свойствах атомного ядра: среднеквадратичный зарядовый радиус, мультипольные моменты, распределение намагниченности и др. Полученные теоретические и программные разработки позволяют интерпретировать эксперименты по измерению изотопических сдвигов и сверхтонкой структуры, выполненные в том числе на установках в НИЦ «Курчатовский институт» – ПИЯФ, в терминах этих фундаментальных свойств ядер, а также предлагать новые эксперименты.
В последнее десятилетие сотрудники отдела не ограниваются исследованиями различных физико-химических свойств в молекулах и кластерах небольшого размера, они перешли к изучению более широкого круга физико–химических свойств и более сложным структурам, а именно к расчетам электронной структуры материалов с тяжелыми атомами в качестве примесей или атомов элементарной ячейки. Разработанный группой квантовой механики (ГКМ) на основе «двухшаговых» подходов метод «подстроенного под соединение» потенциала внедрения (ПСПВ) для выбранного фрагмента кристалла позволяет с очень высокой точностью описать действие окружения на данный фрагмент, и, соответственно, электронная структура самого фрагмента кристалла также воспроизводится с хорошей точностью. По сравнению с методами расширенной ячейки, в рамках кластерного расчета с ПСПВ относительно просто рассматриваются и точечные дефекты, причем с точностью, недостижимой для методов расчета с периодическими граничными условиями. С погрешностью менее 0.1 эВ для валентных энергий в таких расчетах можно учитывать локальное нарушение симметрии кристалла, релятивистские эффекты (включая брейтовские и квантовоэлектродинамические), межэлектронную корреляцию в рамках теории волновой функции, корректно рассматривать заряженные фрагменты кристалла, в том числе включающие атомы с незаполненными и локализованными в остове оболочками, локализованные (нелинейные) квантовые процессы и т. д.
Основное направление деятельности группы релятивистских многочастичных систем (ГРМС) ‒ создание новых средств прецизионного моделирования электронной структуры и свойств соединений тяжелых элементов на основе развития теории релятивистских многоэлектронных систем, в первую очередь релятивистских вариантов теории связанных кластеров и многочастичной теории возмущений для многомерных модельных пространств. Новые разработки направлены прежде всего на описание характеристик возбужденных электронных состояний и электронных переходов. Технологии моделирования, разработанные сотрудниками ГРМС, ГФЯЭЧМ, ГКМ и ЛКХ, позволили проводить систематическое исследование свойств молекул и материалов, содержащих лантаноиды, актиноиды и тяжелые переходные металлы, а также выполнять наиболее точные исследования химических и спектроскопических свойств соединений сверхтяжелых элементов из «острова стабильности» с использованием наиболее продвинутых вариантов теории связанных кластеров и гатчинского релятивистского псевдопотенциала.
Мюонная группа (МГ) разрабатывает методы и программные пакеты для описания взаимодействия мюонов с ионами, атомами и твердыми телами. Моделирование взаимодействия кластеров с мюонами необходимо для интерпретации экспериментальных данных по исследованию локальных магнитных свойств материалов, проводимых на muSR установках. В частности, для исследований на muSR установке, действующей в НИЦ «Курчатовский институт» – ПИЯФ.
МГ также проводит моделирование матричной изоляции атомов и молекул методами квантовой химии. Данное направление является критически важной областью исследований, нацеленной на проведение прецизионных спектральных измерений и оценки реакционной способности исследуемых химических элементов в матрицах. Решение этих задач требует специфических численных подходов в рамках теории многочастичных взаимодействий, позволяющих выполнять аккуратные расчеты при сравнительно небольших временных затратах. Влияние матричного окружения инертных газов на спектральные характеристики может быть эффективно учтено лишь при комплексном использовании численных методов и программного софта. Изучение данного круга вопросов играет существенную роль в интерпретации экспериментальных данных для отдельных атомов и молекул в матрицах.
Группа квантовой электродинамики атомных систем (ГКЭДАС) занимается квантовоэлектродинамическими исследованиями свойств многозарядных ионов (уровни энергий, вероятности переходов, сечения процессов столкновения ионов с элементарными частицами и легкими атомами). Другие направления группы – это исследования возможностей наблюдения спонтанного рождения электрон-позитронных пар в сверхкритических полях, релятивистские расчеты электронной структуры сверхтяжелых элементов, разработка алгоритмов расчета электронной структуры на высокопроизводительных компьютерах и другие задачи.
ОКФХ публикует более 30 статей в год в ведущих международных и российских научных журналах.