Протягом останніх 10 років співробітниками відділу отримані наступні результати:

1. Побудовано теорію взаємодії заряджених частинок з неоднорідними плазмоподібними середовищами. Передбачено новий механізм нестійкості електромагнітних коливань, заснований на ефекті перехідного випромінювання. Виявлено ряд нестійкостей і знайдено інкременти поверхневих коливань при прольоті заряджених частинок над межею розділу середовищ з різноманітними електромагнітними властивостями. Показано, що при прольоті над лівостороннім середовищем виникає абсолютна пучкова нестійкість поверхневих хвиль. Знайдено випромінювання Вавілова-Черенкова електрона, що пролітає над лівостороннім середовищем. Показано, що зарядженою частинкою збуджуються поверхневі ТМ і ТЕ хвилі. Вперше знайдено втрати енергії зарядженої частинки на збудження власних коливань в циліндричних структурах.

Вперше показана можливість існування поверхневих електронних станів на періодично нерівній межі напівпровідника, яка утворена релеївською звуковою хвилею. Такі стани створюють умови для поширення нового класу плазмових хвиль, оскільки виникає залежність частоти плазмона від хвильового вектора.

Виявлено існування на межі надпровідника поверхневих хвиль, які розповсюджуються під косим кутом до осі анізотропії.

Побудовано теорію розповсюдження електромагнітних хвиль у шарувато- періодичних структурах. Виявлено  зростання ефективності нелінійної взаємодії хвиль, яка обумовлена бреггівськими резонансами. Показано, що дрібношаруваті структури, які створені чергуванням шарів напівпровідника і фериту, можуть проявляти властивості як правобічних, так і лівосторонніх середовищ.

Теоретично досліджено поверхневі електромагнітні стани (ПЕМС) в терагерцевому частотному діапазоні частот на двовимірному електронному газі (ДЕГ), вміщеному в антиферомагнітний фотонний кристал при наявності зовнішнього постійного магнітного поля. Показано, що по положенням піків коефіцієнта проходження електромагнітної хвилі TE поляризації, пов’язаних з резонансним збудженням ПЕМС, можна визначити характер закону дисперсії носіїв заряду в ДЕГ.

Теоретично досліджено втрати енергії зарядженої частинки на збудження поверхневих магнітоплазмових коливань електроном, що рухається у вакуумі над двовимірним плазмовим шаром, що лежить на поверхні 3D плазмового півпростору. Електрон рухається паралельно постійному магнітному полю. В електростатичному наближенні розраховано втрати енергії електрона на збудження поверхневих магнітоплазмонів. Показано, що за якісним характером залежності величини максимуму спектральної щільності цих втрат від концентрації електронів в 2D-плазмі можна встановити тип закону дисперсії електронів в 2D-плазмі (квадратичний для друдевського 2D-газу або лінійний для графена).

Проведено теоретичний аналіз дисперсійних властивостей поверхневих геліконів у структурі з графеновим моношаром, що лежить на поверхні 3D-плазми. Встановлено, що наявність графенового монослоя породжує ділянки дисперсійних кривих з аномальною дисперсією поверхневих геліконів. Ці ділянки не виникають у випадку, коли 2D плазмовий шар – плазма Друде. Крім того, було доведено, що беззісштовхувальне загасання поверхневих геліконів відбувається, коли частота хвилі стає більшою, ніж певне критичне значення. Затухання обумовлено переходами електронів у графеновому моношарі валентної зони до зони провідності.

Виконано докладне теоретичне дослідження ефекту нестійкості нерелятивістського нескінченно тонкого трубчастого електронного пучка, що рухається у вакуумі над діелектричним циліндром. Показано, що залежно від величини зазору (прицільної відстані) між пучком і діелектриком в системі реалізується або черенковський механізм нестійкості, або механізм, обумовлений аномальним ефектом Доплера.

Теоретично вивчено взаємодію нерелятивістського трубчастого потоку заряджених частинок з диспергируючим середовищем циліндричної конфігурації. Знайдено дисперсійні рівняння для власного спектра хвиль середовища і спектра електромагнітних хвиль, що збуджені пучком, і виконано їх чисельний аналіз. Виявлена ​​можливість виникнення абсолютної нестійкості об’ємно-поверхневих хвиль, обумовлена ​​особливостями спектра власних електромагнітних хвиль, притаманних лівостороннім середовищам. Саме, резонансний характер частотної залежності магнітної проникності лівостороннього середовища призводить до появи ділянок дисперсійних кривих з негативною груповою швидкістю. Показано, що найбільший інкремент нестійкості має симетрична об’ємно-поверхнева мода електричного типу з двома варіаціями поля по радіусу. Отримані результати дозволяють запропонувати лівобічні середовища в якості уповільнюють структур в генераторах електромагнітного випромінювання без необхідності забезпечення додаткового зворотного зв’язку подібно до того, як в лампах зворотної хвилі.

Теоретично вивчено взаємодія нерелятивістського трубчатого потоку заряджених частинок з немагнітним анізотропним диспергуючим середовищем циліндричної конфігурації. Отримано дисперсні рівняння для спектру власних хвиль середовища та спектру електромагнітних хвиль, що вимушені пучком. Виявлено можливість виникнення абсолютної нестійкості об’ємно-поверхневих хвиль, яка обумовлена особливостями властивостей анізотропного циліндра. Резонансний характер частотних залежностей діелектричної проникності циліндра призводить до появи ділянок дисперсійних кривих власних об’ємно-поверхневих хвиль Е-типу з негативною груповою швидкістю. Показано існування в циліндрі власних поверхневих хвиль Е-типу та псевдо-поверхневих хвиль Е- і Н-типів. Показано, що найбільший інкремент нестабільності володіють гібридними об’ємно-поверхневими модами “шепочучої галереї” Е-типу з трьома варіаціями поля по радіусу. Отримані результати дають підстави запропонувати анізотропні диспергуючі середовища як сповільнюючі структури в генераторах електромагнітного випромінювання без необхідності забезпечення додаткового зворотн’ого зв’язку.

Досліджено втрати енергії швидких зарядів на збудження власних коливань в середовищах, що містять двовимірний плазмовий шар. Розглянуто структури: напівпровідниковий (або діелектричний) циліндр-плазмовий шар-вакуум. Отримано відповідні дисперсійні рівняння, що описують власні коливання такої системи. Знайдено втрати енергії точкового заряду при прямолінійному рівномірному русі над циліндром або всередині нього. Вивчено особливості втрат енергії рухомого зарядженого кільця, що охоплює структуру, зокрема нанотрубку.

В електростатичному наближенні отримано дисперсійне рівняння, що характеризує власні моди напівпровідникового циліндра з шаром двовимірного електронного газу на його бічній поверхні (3D+2D-плазми). Знайдено втрати енергії зарядженої частинки, що рухається в зовнішньому магнітному полі, вектор напруженості якого спрямований паралельно повздовжній осі симетрії 3D+2D-плазми циліндричної конфігурації. Відмічено універсальний характер отриманого співвідношення. За його допомогою можливо визначити втрати енергії як при обертальному русі навколо циліндра, так і при поступальному русі частинки паралельно твірній циліндра. Виявлено ефект невзаємності збудження власних хвиль 3D+2D-плазмового циліндра з ідентичною структурою розподілу полів, які проте відрізняються напрямком розповсюдження вздовж азимутальної координати.

2. За допомогою техніки вимірювання мікрохвильового поверхневого імпедансу отримано температурні залежності лондоновської глибини проникнення поля, провідності квазичастинкової та надтекучої електронних компонент, а також швидкості розсіювання квазічастинок в нових незвичних надпровідниках, а саме, Fe-вмісних пніктіді і халькогеніді. Підтверджено двохщілинний характер спектра електронів і визначено значення енергетичних щілин. Отримані дані відповідають s ± хвильової симетрії куперівських пар.

Експериментально визначена частотна залежність залишкового поверхневого опору ВТНП плівок і монокристалів, що важливо для з’ясування загальної природи ВТНП. Знайдено відповідність флуктуаційної провідності оптимально допованої епітаксіальної плівки ВТНП з теоретичною моделлю 2D мікрохвильової провідності при температурі вищій за критичну.

Розроблено методики визначення комплексних значень електрофізичних параметрів речовин в міліметровому діапазоні довжин хвиль. Показано, що резонансний метод на основі неоднорідних резонаторів з коливаннями “шепочучої галереї” дозволяє визначати електричні параметри діелектриків як з малими, так і з великими втратами.

Розроблено методику визначення діелектричної проникності багатокомпонентних водних розчинів. Встановлено можливість заміни індексу натуральності виноградного вина (вимір якого є тривалим технологічним процесом) критерієм якості, визначеним діелектричними проникностями вина на двох кратних частотах. Отримана висока достовірність передбачення якості вина за визначенням діелектричної проникності сусла, з якого вино буде виготовлено. Виявлено високий вплив концентрації цукру в порівнянні з концентрацією спирту на діелектричну проникність виноградного вина.

Розроблено новий метод непрямого виміру діелектричної проникності рідини на частоті довгохвильовій області міліметрового діапазону, який базується на розсіянні електромагнітного випромінювання на коливний струні в рідині. Модернізований метод капілярно-хвилеводного резонансу для визначення діелектричної проникності рідини, що займає малий об’єм, в короткохвильовій області міліметрового діапазону. Показано, що використання цих двох методів дозволяє виробляти ідентифікацію слабких водних розчинів, зокрема природних джерел води.

Обґрунтовано можливість вирішення проблеми визначення діелектричної проникності навколишнього середовища з використанням ЦДР з коливаннями “шепочучої галереї”. Запропоновано датчик на основі радіально-двошарового діелектричного резонатора для непрямого вимірювання комплексної діелектричної проникності навколишнього середовища. Показано, що висока чутливість зміни його власної частоти до змін проникності навколишнього середовища забезпечується малою товщиною зовнішнього шару в порівнянні з довжиною хвилі власного коливання резонатора.

Експериментально встановлено особливості мікрохвильового відгуку декількох типів квазіоптичних дискових резонаторів з неоднорідностями, що займають малі об’єми. Зокрема, при заповненні малою кількістю (від 1 нл до 1 мкл) рідини діелектричного капіляра, що перетинає дисковий діелектричний резонатор паралельно його осі. Як вимірювальна комірка запропоновано квазіоптичний діелектричний резонатор з радіальної щілиною і торцевими провідними стінками з ВТНП плівок. Використовуючи метод капілярно-хвилеводного резонансу, на прикладі з водою і водно-спиртових розчинів показана можливість визначення комплексних значень діелектричної проникності рідин з великими втратами, які займають малі об’єми.

3. Отримано польові, спектральні та енергетичні характеристики циліндричного та кульового (півкульового) діелектричних резонаторів, радіально двошарових і тришарових циліндричного та кульового діелектричних резонаторів, шаруватого циліндричного діелектричного резонатора. Визначено наслідки впливу циліндричної неоднорідності, розміщеної в області максимуму однієї варіації поля коливання “шепочучої галереї”, на характеристики напівциліндричного діелектричного резонатора. Вивчено вплив імпедансу провідних площин на власні комплексні частоти діелектричних резонаторів з циліндричними і сферичними поверхнями. Отримала подальший розвиток теорія вимушених коливань в квазіоптичних півкульовому і циліндричному діелектричних резонаторах, що збуджені зовнішніми джерелами. Основні результати досліджень квазіоптичних твердотільних резонаторів, які отримані до 2007 року, увійшли до монографії.

Проведено електродинамічний аналіз вищенаведених неоднорідних квазіоптичних твердотільних резонаторів. Вивчено динаміку розподілів компонент поля, що визначають тип коливань, і густин енергій власних і вимушених коливань при зміні параметрів досліджуваної структури. Пояснено механізм резонансного поглинання енергії хвилі, що поширюється в капілярно-хвилеводному резонаторі, який пов’язаний зі збудженням власного коливання у радіально-двошаровому резонаторі (капілярі), заповненому середовищем, яке поглинає. Встановлено, що ефективне збудження коливань “шепочучої галереї” в діелектричної кулі здійснюється, коли електромагнітний промінь, падаючий на поверхню кулі, знаходиться у площині, що незбіжна з діаметральної площиною. Здійснено розширення смуги перебудови циліндричного резонатора граничного типу завдяки введенню хвилеводно-коаксіальної вставки.

Закладено принципи побудови джерел випромінювання міліметрового діапазону з високодобротними квазіоптичними ЦДР, в яких електромагнітні коливання “шепочучої галереї” збуджуються азимутально-періодичними потоками електронів. Розроблено електронну автоколивальну систему з короткочасною взаємодією, в якій час прольоту електрона між торцевими стінками ЦДР менше півперіоду (або порівняно з непарною кількістю півперіодів) його власного коливання. Побудовано математичну модель збудження мод “шепочучої галереї” в ЦДР багатоструменевим потоком релятивістських електронів, розподіл яких по радіальній і азимутальній координатам в кожному струмені представлено у вигляді d-функцій. Електромагнітне випромінювання такої системи зареєстровано детекторним приймачем 8-мм діапазону довжин хвиль. Експериментальні дослідження автоколивальної системи на основі квазіоптичного ЦДР проводилися в ІПЕНМУ ННЦ «ХФТІ» НАН України.

Запропоновано новий спосіб ефективного збудження мод шепочучої галереї (ШГ) в екранованих квазіоптичних діелектричних резонаторах (КДР) планарним хвилеводом, створеним площиною металевого дзеркала та плоскою основою його металевого екрана. Експериментально встановлено, що запропонований спосіб збудження мод ШГ в екранованих КДР планарним хвилеводом є малозбурюючим у порівнянні з відомими способами збудження мод ШГ в закритих резонаторах.

Запропоновано схему стабілізації частоти твердотільних джерел міліметрового діапазону довжин хвиль півсферичним екранованим КДР шляхом використання планарного хвилеводу. Встановлено, що така схема завдяки малому збуренню резонансних полів мод ШГ дозволяє суттєво покращити можливості стабілізації частоти у порівнянні з відомими схемами, які передбачають розташування твердотільного джерела безпосереднє в поля робочих коливань в резонаторі.

Шляхом застосування планарного хвилеводу експериментально доказано можливість збудження «наддобротних» мод ШГ в двошарових півкульових екранованих КДР. Встановлено, що за означеними співвідношеннями розмірів металевого екрану та півкульової діелектричної структури досягається власна добротність, перевищуюча порогове значення, зумовлене втратами енергії в діелектричному матеріалі резонатора. Показано, що причиною цьому є часткове зміщення резонансного поля мод ШГ з діелектрика до повітряного зазору.

Запропоновано конструкцію вимірювальної комірки діелектрометра на основі порожнистого півсферичного екранованого КДР для дослідження рідин з близькими електрофізичними властивостями. Встановлено, що завдяки застосуванню планарного хвилеводу для збудження робочих мод ШГ в екранованому резонаторі вдається мінімізувати сторонні фактори збурення резонансних полів коливань, і, тим самим, досягнути високої чутливості вимірювань.

Розпочато дослідження нового класу малогабаритних діелектричних резонаторів (ДР) – планарних дискових ДР, висота яких менш порогових значень, забезпечуючих збудження в них мод робочих мод ШГ. Такі резонатори являють собою тонкий у порівнянні з довжиною хвилі діелектричний диск, розташований своїми плоскими основами між двома провідними поверхнями. Експериментально та шляхом комп’ютерного моделювання встановлено, що в таких резонаторах з високою ефективністю збуджуються моди ШГ.

Запропоновано конструкцію малогабаритного твердотільного генератора 8-мм діапазону довжин хвиль на основі планарного ДР. Встановлено, що такий генератор характеризується високою короткочасною стабільністю частоти – 5×10^-6 і високою потужністю – до 100 мВт.

Експериментально та шляхом комп’ютерного моделювання розв’язано задачу підвищення власної добротності планарних ДР. Для цього запропоновано введення до конструкції планарного ДР одного або двох повітряних зазорів між плоскими основами діелектричного диска та площиною металевих дзеркал.  Таким чином, вдається більш ніж у 4 рази підвищити власну добротність планарних ДР. Встановлено, що причиною цьому є зсув резонансного поля з області діелектрика до повітряного зазору. При цьому знижуються теплові діелектричні втрати та омічні втрати на металевих дзеркалах.

Запропоновано конструкцію малогабаритного двохдіодного суматора потужностей на основі планарного ДР. Встановлено, що такий суматор характеризується високим коефіцієнтом сумування потужностей – 0,87 і високою стабільністю частоти вихідного сигналу.

Досліджені характеристики виготовленого хвилеводно-діелектричного резонатора (ХДР) на позамежному хвилеводі з резонансним короткозамикаючим (РКЗ) поршнем у міліметровому діапазоні довжин хвиль.

Знайдені умови взаємодії двох типів електромагнітних коливань: основного коливання в ХДР і коливання, що збуджується при певних умовах РКЗ поршнем.

Зроблений порівняльний аналіз двох методів вимірювання низької відносної діелектричної проникності (1,02÷1,1) матеріалів за допомогою циліндричного хвилевідно-діелектричного резонатору на позамежному хвилеводі. В одному методі досліджуваний матеріал  використовується як діелектричний елемент резонатора. В другому методі, запропонованому в цій праці, діелектричний елемент виготовлений з фторопласту, а досліджуваний матеріал заповнює позамежні ділянки хвилеводу. Наведені дані вимірювань діелектричної проникності обома методами в діапазоні 10÷12 ГГц і дана оцінка похибок.

Розв’язана задача підвищення добротності хвилеводно-коаксіального резонатора (ХКР) на позамежному хвилеводі. Для цього була запропонована нова конструкція ХКР з резонансним короткозамикаючим (РКЗ) поршнем. Показано, що з використанням однієї з різновидів дросельних поршнів (РКЗ) вдалося знизити втрати в зоні контакту поршня зі стінками хвилеводу і досягті підвищення добротності ХКР.

Продовжуючи дослідження лавиноподібного переходу до сильно дисипативного стану копланарної лінії передачі (КПЛ) на основі тонкої плівки ВТНП YBaCuO, експериментально показано нетривіальну залежність ефекту від товщини плівки ВТНП. Це може бути підтвердженням правильності раніше висловленого авторами припущення щодо теплового механізму виявленого ефекту при спільному впливі мікрохвильового та постійного струмів. Отримано кількісну характеристику впливу магнітного поля на мікрохвильові нелінійні властивості ВТНП копланарної лінії передачі в умовах сильного сигналу. Результати можуть мати наукове значення в галузі нелінійної радіофізики та прикладне значення для мікрохвильової техніки.

Вперше запропоновано, створено та експериментально досліджено новий тип:

• смугопропускаючого фільтру на основі плівки високотемпературного надпровідника (ВТНП) у міліметровому діапазоні хвиль;
• квазіоптичного діелектричного резонатора (КДР), а саме мікросмужкового КДР на основі плівки ВТНП.

Отримано значення комплексної проникності низки біологічних рідин, що характеризуються великими втратами і малим об’ємом. Вперше проведено вимірювання у мм та субТГц діапазонах за допомогою квазіоптичних діелектричних резонаторів (сапфірових та кварцевих відповідно) з мікрофлюїдним каналом. Результати можуть стимулювати розвиток діелектрометрії біологічних рідин малих об’ємів у мм та суб-ТГц діапазоні хвиль на основі КДР.

За минулий період відділ брав участь у низці державних наукових програм і конкурсів (МОН, ДФФД, НАНУ):

1. 2005 – проект ДФФД «Нелінійності і стаціонарний стан активних електромагнітних хвиль в обмежених структурах з плазмоподібними властивостями» (керівник Булгаков О.О.).
2. 2004 – 2006 – проект Національної академії наук України«Теоретичні дослідження електромагнітних властивостей і розробка методів для аналізу феритових і діелектричних періодичних наноструктур» (керівник Булгаков О.О.).
3. 2006 – проект ДФФД “Нелінійні процеси і зміна фази в квантових системах, твердому тілі та плазмі” (керівник Булгаков О.О.).
4. 2007 – 2009 – проект Національної академії наук України «Електронний транспорт в магнітних структурах в електромагнітних полях» (керівник Булгаков О.О.).
5. 2008-2011 – МОН німецько-український проект «Розвиток методів вимірювання властивостей біорідин, включаючи етикетки без детектування ДНК, на основі резонаторів з хвилями шепочучої галереї міліметрового діапазону» (керівник М.Т.Черпак);
6. 2009-2010 – проект МОН: китайсько-український проект «Прецизійне вимірювання імпедансу надпровідників з використанням квазіоптичних діелектричних резонаторів: нові методи експерименту та обробки даних» (керівник  М.Т.Черпак);
7. 2013-2014 – китайсько-український проект, «Мікрохвильові дослідження нових незвичайних надпровідників –халькогенідів на основі заліза» (керівник  М.Т.Черпак).
8. 2011-2012 – проекту НДР молодих учених НАН України за грантами НАН України «Використання діелектричних властивостей повітряного та водного середовищ для їх моніторингу» (№ держ. реєстрації 0111U007102, 2011-2012, шифр «Кредо», керівник – О.В.Кривенко);
9. 2011-2012 – проект ДФФД «Розроблення методів та технологій зниження впливу умов поширення радіохвиль на точність визначення координат приймачами систем глобальної навігації» (договір №ДЗ/467-2011, №ДЗ/467-2012 (№ держ. реєстрації 0111U005998, шифр «Тропосфера», виконавець – О.В.Кривенко);
10. 2013-2015 – проект ДФФД «Використання випромінювань штучних супутників Землі та телевізійних центрів для дослідження атмосферних процесів» (№ держ. реєстрації 0113U002976, шифр «Діагностика» відповідальний виконавець – О.В.Кривенко);
11. 2013 – проект за конкурсом ДЕРЖКОМНАУКИ (Україна – Китай) НДР «Мікрохвильові дослідження нових незвичайних надпровідників  – хальеогенідів на основі заліза» (шифр «Бамбук», 2013 р., керівник – М.Т.Черпак);
12. 2014 – проект за конкурсом ДЕРЖКОМНАУКИ (Україна – Китай) НДР «Мікрохвильові дослідження нових незвичайних надпровідників  – хальеогенідів на основі заліза» (шифр «Бамбук», 2014 р., керівник – М.Т.Черпак);
13. 2010-2015  – китайсько-український проект, НДР «Прилади 8 мм діапазону хвиль для вимірювання характеристик ВТНП матеріалів і перспективної супутникової лінії цивільного зв’язку: виготовлення та поставка» (шифр «Дракон», керівник – М.Т.Черпак);
14. 2015  – китайсько-український проект, НДР «Резонаторний модуль: виготовлення та поставка» (шифр «Лотос>», керівник – М.Т.Черпак);
15. 2016 – китайсько-український проект, НДР «Мікрохвилові прилади мобільного та цивільногог супутникового зв’язку» (шифр «Лотос-1», керівник – М.Т.Черпак);
16. 2015 – 2016 – проект НДР молодих учених НАН України за грантами НАН України «Вивчення прозорості та діелектричних властивостей води з різних природних джерел в оптичному та міліметровому діапазонах хвиль», (Проект № 8/15, 05/15, шифр «Аква», керівник – О.В.Кривенко);
17. 2012-2016 – проект ДФФД «Теоретичні та експериментальні дослідження властивостей періодичних і стохастичних модульованих наноструктур в оптичному, інфрачервоному та надвисокочастотному діапазонах спектру» (номер держ. реєстрації: 0110U005642, 2010-2014 рр., шифр «ГЕОРГИН», керівники – В.М.Яковенко, С.І.Тарапов);
18. 2012-2016 – НДР за цільовою програмою наукових досліджень Відділення фізики і астрономії НАН України «Вивчення взаємодії електромагнітних та звукових хвиль, а також заряджених часток з твердотільними структурами» (номер держ. реєстрації: 0112U000211, 2012-2016 рр., шифр «Кентавр-5», керівники – В.М.Яковенко, Е.М.Ганапольський);