Розвиток науки на фізичному факультет Ужгородського національного університету за роки незалежності (до 40-річчя Західного наукового центру)

Фізичний факультет Ужгородського національного університету – один з найпотужніших за науковим потенціалом в УжНУ. Його історію започаткувала у 50-х роках минулого століття знаменита когорта талановитих педагогів–науковців, які пройшли чудову наукову школу провідних вузів та академічних науково-дослідних установ колишнього Радянського Союзу. Неможливо переоцінити вклад В.О. Шкоди-Ульянова, І.П. Запісочного, Ю.М. Ломсадзе, Д.В. Чепура, С.М. Кишка, М.В. Братійчук та Є.Л. Жукової у становлення молодої галузі регіональної фізичної науки, формування її головних і перспективних напрямків, створення осередків академічної і галузевої науки та вузівських наукових підрозділів. І зараз наукові досягнення ужгородських фізиків найбільш вагомі саме у тих наукових напрямках, де сформувалися і успішно розвиваються наукові школи з атомної фізики, фізичної і квантової електроніки (школа І.П. Запісочного), фізики і хімії напівпровідникового матеріалознавства (школа Д.В. Чепура), теоретичної фізики (школа Ю.М. Ломсадзе).

У структурі факультету шість випускаючих кафедр, завідувачами яких працюють доктор фіз.-мат. наук, професор, член-кореспондент НАН України Ю.М. Височанський (каф. фізики напівпровідників), доктори фіз.-мат. наук, професори І.І. Шафраньош (каф. квантової електроніки), В.Ю. Лазур (каф. теоретичної фізики з курсом фізики ядра і елементарних часток), В.М. Різак (каф. твердотільної електроніки), О.Г. Сливка (каф. оптики), І.П. Студеняк (каф. прикладної фізики). До складу факультету входять також Науково-дослідний інститут фізики і хімії твердого тіла (директор – член-кореспондент НАН України Ю.М. Височанський), Науково-дослідний інститут засобів аналітичної техніки (директор – доц. Й.Й. Головач), Проблемна науково-дослідна лабораторія фізичної електроніки (науковий керівник – проф. І.І. Шафраньош), Лабораторія космічних досліджень (науковий керівник – доц. В.П. Єпішев). Тісно співпрацює з факультетом Інститут електронної фізики НАН України (директор - академік НАН України О.Б. Шпеник).

На фізичному факультеті УжНУ в різні роки працювали, працюють чи мали пряме відношення до нього один академік та три член-кореспонденти НАН України, один академік та один член-кореспондент РАН, 7 академіків галузевих академій, 9 Заслужених діячів науки і техніки, 21 лауреат Державної премії, 3 Заслужені працівники освіти України, 3 лауреати премії НАН України та 2 Заслужені винахідники. Орденом “За заслуги” ІІІ ступеня нагороджено проф. Л.Л. Шимона. Зараз на факультеті працює 220 спеціалістів. Із них 100 мають наукові ступені доктора або кандидата фізико-математичних наук. Навчальний процес забезпечують 68 викладачів, з них 30 професорів, докторів наук та 38 доцентів, кандидатів наук.

Першими в історії Закарпаття за цикл праць "Розробка і впровадження нових некристалічних матеріалів і елементів оптоелектроніки та лазерної техніки" Державною премією України в галузі науки і техніки відзначені у 1989 році співробітники кафедри фізики напівпровідників Блецкан Д.І., Борець О.М., Довгошей М.І., Кикинеші О.О., Семак Д.Г., Сливка В.Ю., Туряниця І.Д., Туряниця І.І., Фірцак Ю.Ю., Химинець В.В. У 1995 році лауреатами Державної премії України в галузі науки і техніки за цикл робіт "Елементарні процеси та резонансні явища в парних зіткненнях електронів, атомів і іонів" стали співробітники кафедр теоретичної фізики та квантової електроніки Алексахін І.С., Завілопуло А.М., Запісочний І.П., Імре А.Й., Лендьел В.І., Сабад О.П., Шимон Л.Л., Шпеник О.Б. У 2000 р. Державною премією України в галузі науки і техніки відзначено професорів Височанського Ю.М., Переша Є.Ю., Ворошилова Ю.В., Гурзана М.І., Олексіюка І.Д., Головея М.І. за цикл праць “Хімія, технологія і властивості складних халькогенних матеріалів”. Аналогічну державну нагороду у 2001 році отримали професори Сливка В.Ю. та Берча Д.М. у складі авторського колективу вчених з Києва, Харкова, Львова та Ужгорода за цикл робіт "Нові фізичні ефекти в сильно анізотропних напівпровідниках і прилади на їх основі". Названі лауреати є представниками кафедр фізики напівпровідників, квантової електроніки та теоретичної фізики, засновниками яких були фундатори фізичного факультету професори Д.В. Чепур, І.П. Запісочний та Ю.М. Ломсадзе.

Впродовж останніх двадцяти років наукова діяльність фізичного факультету спрямована на виконання фундаментальних НДР згідно програм МОН з пріоритетних напрямків розвитку науки і техніки України. У рамках цих програм впродовж останніх двадцяти років було виконано понад 200 наукових тем і технічних проектів, які в результаті доволі жорстких експертних оцінок здобули право на фінансування за рахунок держбюджетних коштів. Поряд з цим виконано понад два десятки проектів Державного фонду фундаментальних досліджень МОН України та за прямими договорами із замовниками. До виконання НДР та прикладних наукових розробок залучено 150 науково-педагогічних працівників, серед яких 25 докторів та 75 кандидатів наук. Разом з НДІ ФХТТ, НДІ ЗАТ, ПНДЛ квантової електроніки та Лабораторією космічних досліджень фізичний факультет УжНУ утворює потужний науково-освітній центр України. Фізичний факультет має належну матеріально-технічну базу. Це, в першу чергу, обладнані сучасною експериментальною та комп’ютерною технікою наукові лабораторії електронної мікроскопії, рентгеноструктурного аналізу, високих тисків, низьких температур, лазерної фізики. У розпорядженні фізиків прискорювачі електронів мікротрон М-10 та бетатрон Б-25, унікальна експериментальна установка «Карпати», сучасний комплекс по спостереженню ШСЗ, вимірювальні машини КОМЕС і Акскорекорд (фірми Цейс), камери СБГ, телескоп, мас-спектрометри та ін.

Наукові досягнення колективу факультету засвідчуються кількістю і якістю статей, опублікованих у провідних вітчизняних і зарубіжних фахових журналах. Загалом за останні двадцять років науково-педагогічними працівниками та співробітниками факультету опубліковано понад 2400 наукових статей, з яких близько половини - у найпрестижніших наукових журналах світу: Phys. Rev., Phys.Rev.Lett., J. Phys., ЖЭТФ, УФН, ТМФ, Опт. и спектр., Ferroelectrics, Physica Status Solidi, Appl. Phys., J. Appl. Phys., Optical Materials, Condensed Matter Physics, Applied Optics тощо. За результатами проведених досліджень вченими факультету проголошено понад 2 тис. доповідей на національних і міжнародних наукових форумах, отримано 127 деклараційних патентів на винаходи, представлено 20 експонатів на міжнародних та всеукраїнських виставках науково-технічних розробок.

За роки незалежності викладачами та науковцями факультету видано 116 навчально-методичних посібників, з них 13 – під грифом МОН України, а також 35 монографій, з яких більше половини у престижних вітчизняних (Наукова думка, Вища школа, Техніка,…) та міжнародних (Springer-Verlag, Nova Science Publishers Inc., Энергоатомиздат,…) видавництвах.

Наші кращі випускники мають можливість продовжувати навчання в аспірантурі, яка діє на всіх шести кафедрах факультету і є найбільшою в УжНУ. Щорічно у ній працюють над кандидатськими дисертаціями близько 30 аспірантів очної та заочної форм навчання. Підготовці кадрів вищої кваліфікації сприяє також функціонування на факультеті Спеціалізованої ради по захисту докторських дисертацій із спеціальностей “Фізика напівпровідників та діелектриків” і “Фізичної електроніки”. Важливим в цьому сенсі є відкриття в 1988 році докторантури. Цілком закономірно, що за останні двадцять років 107 випускників факультету стали кандидатами, а 21 - докторами фізико-математичних наук.

У національному масштабі ми тісно співпрацюємо зі всіма ключовими університетами та науковими центрами, включаючи інститути НАН України. У міжнародному плані фізичний факультет тісно співпрацює з більш ніж 40 університетами та провідними науковими центрами світу. У рамках міжнародних наукових програм підтримки фундаментальних досліджень (МАГАТЕ, ЄВРОАТОМ) та колективних грантів від INTAS, SCOPES, NATO, COPERNICUS науковці факультету разом зі своїми зарубіжними колегами виконували 15 наукових проектів з проблем керованого термоядерного синтезу, атомної фізики, астрофізики, фізики напівпровідників та діелектриків. Поряд з цим, виконано понад 25 спільних міждержавних наукових проектів. Наукова кооперація фізичного факультету УжНУ з провідними зарубіжними науковими центрами – основа його інтеграції у світовий освітній простір і наукове співтовариство.

Відома в нашій країні і за її межами наукова школа з фізики і хімії напівпровідникового матеріалознавства (керівник школи – член-кор. НАН України Ю.М. Височанський) веде широкомасштабні дослідження нових складних халькогенідних та халькогалогенідних матеріалів (кристалів, стекол, тонких шарів та нанокомпозитів), а також біоорганічних матеріалів, з метою їх подальшого використання в нелінійній оптиці, сенсориці, акустоелектроніці, п’єзоелектроніці тощо.

Розроблені унікальнi по ефективності матеріали, серед яких кристали з найвищими на даний час п’єзомодулями, ефективні фоторефрактивні матеріали ближнього інфрачервоного діапазону з швидким відкликом, високоефективні електрооптичні та акустооптичні кристали. Отримані матеріали дозволили реалізувати значне покращення параметрів рідкокристалічних пристроїв при використанні їх в якості компоненти суспензій сегнетоелектричних наночастинок в рідких кристалах, а також отримати ефективні тверді нанокомпозити на їх основі. В склоподібних халькогенідних матеріалах в останні роки виявлено поляризаційно-чутливі фотоструктурні зміни, що мають значні перспективи використання в адаптивній оптиці. Ряд ефектів дозволяють створити нові типи сенсорів та іонних джерел струму, перспективнi термоелектричнi матеріали.

Результатами розробок є нові оптимізовані фоторефрактивні матеріали для керування та корекції лазерних променів та фазового спряження лазерів діапазону 780 – 1500 нм, що перекриває «терапевтичний» та телекомунікаційний діапазони лазерного випромінювання; високоефективні акустооптичні та електрооптичні (в тому числі хвилеводні) модулятори; нові типи сенсорів, адаптивних та фотомеханічних елементів на основі аморфних халькогенідних стекол, волокон і плівок, п’єзоелектричних, акустоелектронних та інших нелінійних матеріалів.

Отримані фундаментальні результати по механізмах фото- та термоіндукованих змін у халько(гало)генідних матеріалах різної структури, включаючи різні типи розупорядкування та просторової розмірності, у тонких шарах та їх межах. Досліджені розмірні ефекти, що дозволить оптимізувати розроблювані матеріали та пристрої на їх основі.

Експериментально та теоретично досліджені особливості впливу електрон-фононної взаємодії в сполуках з різним ступенем локалізації електронів на специфіку дипольного впорядкування. Встановлено, що виникнення спонтанної поляризації в складних халькогенідних кристалах супроводжується суттєвою перебудовою хімічних зв’язків. Виявлена граткова мультистабільність, яка характеризується трьохямним потенціалом і є результатом нелінійної взаємодії полярної м’якої оптичної моди з іншими повносиметричними модами кристалу. На прикладі конкретних кристалів встановлено, що вказаний складний потенціальний рельєф зумовлений релаксацією неподіленої електронної пари катіонів структури. Показано, що у спонтанну поляризацію основний внесок вносить електронна складова і вперше чітко проілюстрована провідна роль достатньо делокалізованих електронів у структурній сегнетоелектричній нестабільності.

На кафедрі оптики під науковим керівництвом проф. Сливки О.Г. та проф. Герзанича О.І. ведуться дослідження полікритичних явищ та фізичних ефектів у кристалічних речовинах, що зумовлені впливом зовнішнього високого тиску, електричного поля, температури та ізоморфного заміщення атомів.

Встановлено ряд нових ефектів та універсальних закономірностей впливу гідростатичного тиску, електричних полів та катіон-аніонного заміщення на температурну поведінку фундаментальних фізичних властивостей складних халькогенідних кристалів з неспівмірними фазами, а також кристалів з водневими зв‘язками; з‘ясовано природу полікритичних станів на їх фазових діаграмах "тиск-температура-склад" та "тиск-температура-електричне поле". Фундаментальне наукове значення має експериментальне встановлення та проведений теоретичний опис аномальної температурної поведінки спектрів фундаментального поглинання світла в неспівмірно модульованих кристалах. Розвинуто феноменологічну теорію фазових переходів для власних сегнетоелектриків на основі врахування пружної частини термодинамічного потенціалу та баричної залежності константи Кюрі-Вейса. Досліджено основні закономірності впливу термообробки та високого гідростатичного тиску на оптичні параметри нанокристалів у скляних матрицях.

Розроблено нові експериментальні методики дослідження оптичних, сегнетоелектричних, пружних та фотоелектричних властивостей кристалів в умовах високого гідростатичного тиску. На підставі результатів досліджень запропоновано ряд нових матеріалів для розробки на їх основі функціональних елементів для вимірювачів тиску, температури, піроелектричних приймачів електромагнітного випромінювання та температурних елементів пам‘яті.

Астрофізичні дослідження на факультеті проводяться на кафедрі оптики з часу її заснування. Створена під керівництвом М.В. Братійчук Станція спостережень за штучними супутниками Землі (ШСЗ) могла, крім свого прямого призначення, розв'язувати прикладні та фундаментальні проблеми астрономії, геофізики, геодезії, фізики верхніх шарів атмосфери. У травні 1969 року Станція була перетворена в Лабораторію космічних досліджень (ЛКД). Встановлена в ЛКД у 1972 році світосильна камера SBG дозволила проводити спостереження за високоорбітальними об'єктами – геостаціонарами. Саме в цій лабораторії в 1972 році, вперше на теренах колишнього Радянського Союзу, була здійснена лазерна локація ШСЗ.

За видатні результати, отримані проф. М.В. Братійчук в астрофізичних дослідженнях, одній з малих планет (за номером 3372) Сонячної системи Міжнародною Астрономічною Спілкою у 1996 році присвоєно назву "Bratijchuk". У 1997 році М.В. Братійчук стала лауреатом премії Української Астрономічної Асоціації "За вагомий вресок у розвиток астрономії в Україні".

На кафедрі твердотільної електроніки (завідувач д.ф.-м.н., проф. Різак В.М.) продовжують розвиватися традиційні для колективу наукові напрямки: вивчення умов одержання нових складних некристалічних халькогенідних матеріалів, дослідження фізико-хімічних, оптичних і електрофізичних параметрів і властивостей отриманих нових матеріалів в об’ємному і плівковому станах, у широкому діапазоні температур та електромагнітних полів; оптико-технологічна оптимізація багатошарових плівкових структур халькогенідів і халькогалогенідів для елементів лазерної техніки. Пріоритетними стають дослідження механізмів фото- і термоструктурних перетворень у халькогенідних напівпровідниках та оптичної обробки інформації. Створення грід-сайту на gLite middleware, який ввійшов в ядро нової грід-інфраструктури України на основі ПЗ gLite, і започаткування новітніх технологій сучасної фізики – „ab initio” розрахунків – сприяло подальшому розвитку сформованого Різаком В.М. нового наукового напрямку – дослідження ангармонізму, нерівноважних та флуктуаційних ефектів у напівпровідникових дипольних системах з полікритичними точками (трикритичною, точкою Ліфшиця та трикритичною точкою Ліфшиця). На основі результатів вимірювання теплоємності та коефіцієнта теплопровідності сегнетоелектричних кристалів під впливом гідростатичного тиску вперше у фізиці конденсованих систем визначено координати трикритичної точки Ліфшиця.

Одна з наймолодших кафедр фізичного факультету – кафедра прикладної фізики (завідувач проф. І.П. Студеняк) веде наукові дослідження за такими пріоритетними напрямками:

• пошук та дослідження механічних, акустичних та оптичних властивостей нових матеріалів (кристалів, стекол, композитів, керамік, тонких плівок) для створення на їх основі активних елементів твердоелектролітичних джерел енергії, конденсаторів великої ємності, електрохімічних та оптичних сенсорів;
• вивчення впливу різних типів розупорядкування (температурного, структурного, композиційного і т.д.) на фізичні властивості та фазові переходи в нових суперіонних провідниках;
• розробка адсорбційно-чутливих елементів для побутових і промислових газоаналізаторів, індикаторів і сигналізації газів, зокрема метану, аміаку, окислу вуглецю, чадного газу, тощо;
• розробка надпросторового підходу до аналізу узагальненої симетрії і його адаптації при проведені розрахунків дисперсії одночастинкових спектрів складних багато компонентних сполук.

Кафедра теоретичної фізики (завідувач проф. В.Ю. Лазур) впродовж останніх десятиліть вела наукові дослідження у трьох основних напрямках: 1) квантова теорія поля: аксіоматична квантова теорія поля, квантова електродинаміка (КЕД), квантова хромодинаміка (КХД); 2) фізика атомних зіткнень: резонансні явища при розсіянні електронів на атомах та іонах, багатофотонні процеси, одно- та двоелектронні процеси з перерозподілом при взаємодії багатозарядних іонів з атомами, молекулами та поверхнею металу; 3) дослідження малочастинкових систем: кваркова структура мезонів та баріонів, спектроскопія автоіонізаційних станів. Наукова робота за вказаними вище напрямками здійснювалася у формі дослідницьких контрактів з МАГАТЕ (контракт №8843/RB), Міжнародною асоціацією INTAS (Ref. No. 94-4698, Ref.No. 99-01326), Міністерством освіти і науки України. Результати фундаментальних досліджень, особливо великий масив даних про ефективні перерізи процесів розсіяння, знайшли широке застосування в суміжних галузях науки, увійшли у відомі бази даних з атомних і молекулярних констант.

У науково-дослідній роботі викладачів і співробітників відділення фізики ядра і елементарних частинок (наукові керівники проф. Хіміч І.В., доц. Гайсак І.І.) пріоритетними є експериментальні дослідження на електронних прискорювачах (бетатрон Б-25 та мікротрон М-10) енергетичної залежності ефективних перерізів збудження як короткоживучих, так і довгоживучих ізомерних станів ядер, які збуджуються в фотоядерних реакціях. Досліджено масові і кутові розподіли та ізомерні відношення виходів уламків фотоподілу важких ядер, зокрема, торію і урану. На основі гіперсферичного адіабатичного підходу запропоновано оригінальну тричастинкову модель ядра, в рамках якої вдалося коректно описати ефекти спарювання нуклонів, що приводять до так званих надплинних станів ядер.

На кафедрі квантової електроніки (завідувач та науковий керівник проф. І.І. Шафраньош) та в Проблемній науково-дослідній лабораторії фізичної електронікифункціонує наукова школа «елементарні процеси зіткнень електронів, фотонів з атомами, іонами, молекулами і твердими тілами» (засновник проф. І.П. Запісочний, 1922-2003), в рамках якої дослідження розвиваються за чотирма науковими напрямками: 1) фізика електронних зіткнень (керівник проф. І.І. Шафраньош); 2) квантова електроніка (керівник проф. Л.Л. Шимон); 3) емісійна електроніка (керівник проф. С.С. Поп); 4) нелінійні процеси взаємодії потужного лазерного випромінювання з атомами (керівник проф. В.В. Суран).