Моделирование стационарных и осциллирующих дискретных бризеров в биатомном кристалле типа CsCl

В настоящей работе исследуется моделирование стационарных и осциллирующих дискретных бризеров в биатомном кристалле типа CsCl с межатомными взаимодействиями, описываемыми потенциалом β-FPUT, при помощи методов молекулярной динамики. Дискретные бризеры (ДБ) – это пространственно локализованные колебания частиц в бездефектных нелинейных цепочках, которые могут существовать только в дискретных средах и нелинейных системах. Упорядоченные структуры типа CsCl относятся к кристаллам с объемно-центрированной кубической (ОЦК) решеткой, нелинейная динамика которых в последнее время привлекает высокий интерес и внимание исследователей. Представлена история открытия и эволюция исследований в изучении ДБ и делокализованных нелинейных колебательных мод (ДНКМ). Показан увеличивающийся интерес в изучении подвижных ДБ, способных переносить энергию по кристаллической решетке. Изображена расчетная ячейка ОЦК кристалла со структурой CsCl, где анализируется случай большой разницы в атомных массах компонентов. Показаны ДНКМ и ее частотная характеристика, где в фононном спектре кристалла возникает щель. Представлена частотная характерис- тика ДБ с жестким типом нелинейности, численно найденного в щели фононного спектра путем применения функции локализации к ДНКМ. Эта функция имеет вид гиперболи- ческого косинуса, что позволяет частоте ДБ с ростом амплитуды оторваться от нижней границы фононного спектра. В результате молекулярно-динамического моделирования в пакете LAMMPS получены ДБ, центрированные на атоме и между двумя соседними тяжелыми атомами. Показаны их движения, где атомы тяжелой подрешетки движутся с гораздо большими амплитудами, чем легкие атомы. Наконец, показаны временные зависимости стационарного ДБ, центрированного на атоме, и ДБ, осциллирующих вблизи этой конфигурации. Отмечена возможность существования ДБ только с амплитудой колебаний более 0,2 от межатомного расстояния.

1. Долгов А.С. О локализации колебаний в нелинейной кристаллической структуре. Физика твердого тела. 1986;28(6):1641-1644.

2. Sievers AJ, Takeno S. Intrinsic localized modes in anharmonic crystals. Physical Review Letters. 1988;61(8):970-973. DOI: 10.1103/PhysRevLett.61.970.

3. Flach S, Willis C. Discrete breathers. Physics Reports. 1998;295(5):181-264. DOI: 10.1016/S0370-1573(97)00068-9.

4. Flach S, Gorbach AV. Discrete breathers - advances in theory and applications. Physics Reports. 2008;467(1-3):1-116. DOI: 10.1016/j.physrep.2008.05.002.

5. Сахненко В.П., Чечин Г.М. Симметрийные правила отбора в нелинейной динамике атомных систем. Доклады Академии наук. 1993;330(3):308-310.

6. Сахненко В.П., Чечин Г.М. Кусты мод и нормальные колебания для нелинейных динамических систем с дискретной симметрией. Доклады Академии наук. 1994;338(1):42-45.

7. Chechin GM, Sakhnenko VP. Interactions between normal modes in nonlinear dynamical systems with discrete symmetry. Exact results. Physica D: Nonlinear Phenomena. 1998;117(1-4):43-76. DOI: 10.1016/S0167-2789(98)80012-2.

8. Kiselev SA, Bickham SR, Sievers AJ. Anharmonic gap modes in a perfect one-dimensional diatomic lattice for standard two-body nearest-neighbor potentials. Physical Review B. 1993;48(18):13508-13511. DOI: 10.1103/physrevb.48.13508.

9. Kiselev SA, Sievers AJ. Generation of intrinsic vibrational gap modes in three-dimensional ionic crystals. Physical Review B. 1997;55(9): 5755-5758. DOI: 10.1103/PhysRevB.55.5755.

10. Voulgarakis NK, Hadjisavvas G, Kelires PC, Tsironis G.P. Computational investigation of intrinsic localization in crystalline Si. Physical Review B. 2004;69:113201. DOI: 10.1103/PhysRevB.69.113201.

11. Murzaev RT, Bachurin DV, Korznikova EA, Dmitriev SV. Localized vibrational modes in diamond. Physics Letters A. 2017;381(11):1003-1008. DOI: 10.1016/j.physleta.2017.01.014.

12. Кистанов А.А., Семенов А.С., Мурзаев Р.Т., Дмитриев С.В. Неподвижные и движущиеся дискретные бризеры в ГПУ металле Сo. Фундаментальные проблемы современного материаловедения. 2014;11(3):322-325.

13. Кистанов А.А., Семенов А.С., Мурзаев Р.Т., Дмитриев С.В. Взаимодействие движущихся дискретных бризеров в ГПУ металле Mg. Фундаментальные проблемы современного материаловедения. 2014;11(4-2):572-577.

14. Medvedev NN, Starostenkov MD, Zakharov PV, Pozidaeva OV. Localized oscillating modes in two-dimensional model of regulated Pt3Al alloy. Technical Physics Letters. 2011;37(2):98-101. DOI: 10.1134/S1063785011020106.

15. Семенов А.С., Фомин С.Ю., Жоу К., Соболева Э. Г. Дискретный бризер с жестким типом нелинейности в двумерном биатомном кристалле. Письма о материалах. 2017;7(3):327-331. DOI: 10.22226/2410-3535-2017-3-327-331.

16. Семенов А.С., Корзникова Е.А., Дмитриев С.В. Дискретные бризеры с жестким и мягким типом нелинейности в одномерной цепочке с дальнодействующим Морзевским взаимодействием. Письма о материалах. 2015;5(1):11-14. DOI: 10.22226/2410-3535-2015-111-14.

17. Кистанов А.А., Семенов А.С. Столкновение движущихся дискретных бризеров в двумерном моноатомном кристалле. Фундаментальные проблемы современного материаловедения. 2014;11(2):241-244.

18. Kistanov AA, Dmitriev SV, Semenov AS. Properties of moving discrete breathers in a monoatomic two-dimensional crystal. Journal of Experimental and Theoretical Physics. 2014;119(4):766-771. DOI: 10.1134/S1063776114100045.

19. Kistanov AA, Dmitriev SV, Semenov AS, et al. Interaction of propagating discrete breathers with a vacancy in a two-dimensional crystal. Technical Physics Letters. 2014;40(8):657-661. DOI: 10.1134/S1063785014080069.

20. Bachurina OV, Murzaev RT, Korznikova EA, et al. Properties of moving discrete breathers in beryllium. Physics of the Solid State. 2018;60(5):989-994. DOI: 10.1134/S1063783418050049.

21. Murzaev RT, Kistanov AA, Dubinko VI, et al. Moving discrete breathers in bcc metals V, Fe and W. Computational Materials Science. 2015;98:88-92. DOI: 10.1016/j.commatsci.2014.10.061.

22. Krylova KA, Dmitriev SV, Lobzenko IP, et al. Spherically localized discrete breathers in BCC metals V and Nb. Computational Materials Science. 2020;180:109695. DOI: 10.1016/j.commatsci.2020.109695.

23. Казаков А.М., Шарапова Ю.Р., Бабичева Р.И. и др. Моделирование преодоления препятствий в виде пор дислокациями в вольфраме. Frontier Materials & Technologies. 2022;(3-1):76-84. DOI: 10.18323/2782-4039-2022-3-1-76-84.

24. Шарапова Ю.Р., Казаков А.М., Семенов А.С., и др. Молекулярно-динамический анализ дисперсионного упрочнения когерентными интерметаллидными фазами в ОЦК вольфраме. Фундаментальные проблемы современного материаловедения. 2023;20(4):455461. DOI: 10.25712/ASTU.1811-1416.2023.04.004.

25. Шарапова Ю.Р., Казаков А.М., Семёнова М.Н., и др. Динамика 2-краудиона и перенос энергии в вольфраме: атомистическое моделирование. Вестник Северо-Восточного федерального университета им. М.К. Аммосова. 2024;21(4):73-80. DOI: 10.25587/2222-54042024-21-4-73-80.

26. Shcherbinin SA, Bebikhov YV, Abdullina DU, et al. Delocalized nonlinear vibrational modes and discrete breathers in a body centered cubic lattice. Communications in Nonlinear Science and Numerical Simulation. 2024;135:108033. DOI: 10.1016/j.cnsns.2024.108033.

27. Bachurin DV, Murzaev RT, Abdullina DU, et al. Chaotic discrete breathers in bcc lattice: Effect of the first-and second-neighbor interactions. Physica D: Nonlinear Phenomena. 2024;470:134344. DOI: 10.1016/j.physd.2024.134344.

28. Kolesnikov ID, Shcherbinin SA, Bebikhov YV, et al. Chaotic discrete breathers in bcc lattice. Chaos, Solitons & Fractals. 2024;178(8):114339. DOI: 10.1016/j.chaos.2023.114339.

29. Bebikhov YV, Naumov EK, Semenova MN, Dmitriev SV. Discrete breathers in a β-FPUT square lattice from in-band external driving. Communications in Nonlinear Science and Numerical Simulation. 2024;132(7475):107897. DOI: 10.1016/j.cnsns.2024.107897.

30. Абдуллина Д.У., Бебихов Ю.В., Семенова М.Н., и др. Щелевой дискретный бризер в биатомном кристалле В2. Фундаментальные проблемы современного материаловедения. 2025;22(2):184-193. DOI: 10.25712/ASTU.1811-1416.2025.02.006.

31. Shcherbinin SA, Kazakov AM, Bebikhov YV, et al. Delocalized nonlinear vibrational modes and discrete breathers in β-FPUT simple cubic lattice. Physical Review E. 2024;109(1):014215. DOI: 10.1103/PhysRevE.109.014215.

32. Page JB. Asymptotic solutions for localized vibrational modes in strongly anharmonic periodic systems. Physical Review B. 1990;41(11):7835-7838. DOI: 10.1103/physrevb.41.7835.

33. Abdullina DU, Bebikhov YuV, Semenova MN, Dmitriev SV. Excitation of Moving Discrete Breathers in Square β-FPUT Lattice by External Driving. Physics of the Solid State. 2025;67(11):977982. DOI: 10.1134/S1063783425602346.

34. Bingol S, Erdinc B, Akkus H. Electronic band structure, optical, dynamical and thermodynamic properties of cesium chloride (CsCl) from first-principles. International Journal for Simulation and Multidisciplinary Design Optimization. 2015;6:A7. DOI: 10.1051/smdo/2015007.

35. Durukan İK, Çiftci Y. DFT analysis of mechanical and dynamic properties of CuBe. Gazi University Journal of Science. 2022;35(4):1652-1663. DOI: 10.35378/gujs.915127.