Науковий семінар

Annotation: Recent advances in condensed matter physics have unveiled a new class of
quantum materials known as topological insulators (TIs). TIs are insulating in the bulk while hosting
metallic surface states within the bulk band gap. Notably, these surface states exhibit spin-polarized Dirac
cones that are robust against backscattering, making TIs promising candidates for next-generation spintronic
and quantum computing applications. Beyond TIs, the exploration of novel topological phases such as
topological crystalline insulators (TCI), magnetic topological insulators (MTI), and topological
superconductors has further expanded the frontier of quantum materials research. These emerging systems
exhibit exotic quantum phenomena, including the quantum anomalous Hall effect, magnetic skyrmions, and
Majorana fermions, offering new opportunities for fundamental physics and technological innovation.

In this talk, I will present recent research progress in topological materials based on my present
experimental work. Specifically, I will demonstrate that Te-based MTI layered materials [1,2], MnBi2Te4 and
MnSb2Te4, and multivalley TCI materials [3], SnTe and PbSnSe, are grown using molecular beam epitaxy
techniques. To probe the topological nature in terms of electronic structures, state-of-the-art
angle-resolved photoemission spectroscopy (ARPES) is employed. Furthermore, low-temperature magnetotransport
measurements are conducted to investigate quantum Hall effects and magnetic skyrmions reflecting the band
topology. These research efforts provide new insights into the interplay of Dirac electrons and magnetic and
crystalline structures, paving the way for future studies on quantum materials and their potential
applications.

[1] E.D.L. Rienks, et al., Nature 576, 423 (2019).
[2] T. Takashiro, et al., Nano Letters 22, 881 (2022).
[3] G. Krizman, …, T. Takashiro, et al., Phys. Rev. Lett. 132, 166601 (2024).

Annotation: “LINAC4, a 160MeV H- LINAC based on 352MHz normal conducting cavities, was
commissioned in stages during the year 2013-2019 at CERN. The experience gained during the design and
commissioning of LINAC4 has been exploited for the design and realization of pre-injectors for use in the
medical and art diagnostics field, in particular high frequency Radio Frequency Quadrupole based on the
frequency of 750MHz.

In this talk, we will give a brief summary of the crucial achievements of the LINAC4 commissioning and the
status of the pre-injectors projects for medical and societal application including future R&D plans.

Annotation: Conducting polymers offer unique ways to control light and heat, which I will
illustrate using examples from our recent research. I will first demonstrate that conducting polymers enable
a new type of dynamically tuneable plasmonic nanoantennas.^1-5 Such optical nanoantennas form the
basis for important applications like optical metasurfaces, but they are traditionally static. By contrast,
the optical response of conducting polymer nanoantennas can be dynamically tuned by varying the oxidation
state of the polymer, thereby opening for redox-tunable metasurfaces and applications like dynamic flat
lenses and video holograms.

Next, I will introduce novel means for dynamic structural coloration for reflective colour
displays.^6-7 Reflective displays form an energy-efficient complement to emissive displays and
provide additional benefits such as being suitable for use in bright light. I will describe how we can
achieve materials with tunable structural colour for such devices by combining dynamic electroactive
functions of conducting polymers with interference effects in thin films.

In the third example, we utilize the coldness of outer space to passively cool objects on Earth via thermal
radiation. This concept, called passive radiative cooling, is explored world-wide as a sustainable
complement to energy-consuming cooling methods which currently consume around 10% of all electricity used
globally. Our recent research shows that conducting polymers can be used to electrically tune the radiative
cooling power, offering temperature regulation of objects at ambient conditions by tuning their ability to
radiate heat.^8-9 The concept is based on modulating the infrared emissivity of our devices, which
also offer means for adaptable camouflage and anticounterfeiting.¹⁰

1. Conductive polymer nanoantennas for dynamic organic plasmonics. S. Chen et al.
   Nature Nanotechnology 2020, 15, 35-40.
2. Electrical Tuning of Plasmonic Conducting Polymer Nanoantennas. A. Karki et al.
   Advanced Materials 2022, 34, 13, 2107172
3. Doped Semiconducting Polymer Nanoantennas for Tunable Organic Plasmonics. A. Karki et al.
   Communications Materials 2022, 3, 48
4. Dynamic Conducting Polymer Plasmonics and Metasurfaces. S. Chen and M. P. Jonsson.
   ACS Photonics 2023, 10, 3, 571–581
5. Tuneable anisotropic plasmonics with shape-symmetric conducting polymer nanoantennas. Y.
   Duan, et al. Advanced Materials 2023, 35, 51, 2303949.
6. Dynamically tuneable reflective structural colouration with electroactive conducting polymer
   nanocavities. S. Rossi et al. Advanced Materials 2021, 33, 40, 2105004
7. Tunable structural color images by UV-patterned conducting polymer nanofilms on metal
   surfaces. S. Chen et al. Advanced Materials 2021, 33, 33, 2102451
8. Cellulose-based Radiative Cooling and Solar Heating Powers Ionic Thermoelectrics. M. Liao,
   et al. Advanced Science 2023, 10, 2206510
9. Electrical Tuning of Radiative Cooling at Ambient Conditions. D. Banerjee et al.
   Cell Reports Physical Science, 2023, 4, 101274
10. Electrically tunable infrared optics enabled by flexible ion-permeable conducting
    polymer-cellulose paper. Kuang et al. npj Flexible Electronics 2024, in
    press.

Запис семінару на youtube

Анотація семінару: In the present study, the ab-initio approach was used in order to model
the strength properties of carbon chains of infinite length with cumulene and polyyne structures.
Calculations were performed in the framework of density functional theory (DFT) using the Vienna ab initio
simulation package (VASP). Stretch diagrams of the cumulene and polyyne chains were calculated. It is shown
that when the critical deformation of the chain of cumulene structure is reached, the chain breaks down into
the carbon atoms, while for the polyyne chain it breaks down into C2 molecules. The change in the electronic
structure of the polyyne chain during its stretching up to destruction into molecules has been studied. The
dependence of the direct band gap (0.3 eV in ground state) on the value of the deformation has been
calculated.

Анотація семінару: Швидкий розвиток штучних нейромереж, які забезпечують все ширший спектр
застосувань ШІ, базується на біонічних принципах, виявлених у процесі розвитку наук біофізики та фізіології.
Три покоління штучних нейромереж доповнюються системами мультимодальності, мультиекспертності та застосунком
RAG-технологій. Системи LLM наразі включають у себе трільйони параметрів і досягли середнього рівня IQ, що
властивий людині, завдяки поліпшенню обчислювальних можливостей. Однак врахування інших властивостей
біологічних нейронів та нейросистем має потенціал ще більше покращити ефективність штучних нейромоделей. У
презентації будуть розглянуті біонічні принципи, отримані від природних нейросистем, які вже застосовуються
при організації штучних нейромереж. Це включає огляд роботи окремих нейронів та їхнього кодування
інформації, організацію нейронів у шари, що лежать в основі нейроморфної архітектури, форму активаційної
функції природних нейронів та процеси формування синаптичних з’єднань. Крім того, будуть розглянуті аспекти
відмінностей між біосистемами та штучними нейросистемами, такі як ефект перевантаження нейронів, ефект
акомодації, варіації активності нейронів та різновиди правил Хебба для зміни синаптичних ваг. Виступ також
міститиме власні висновки та обговорення філософських питань, щодо віднесення штучних нейромереж до галузей
математики та біофізики, а також можливостей набуття штучними нейросистемами переваг над біологічними
зразками.

Анотація семінару: В електрофізіологічних експериментах вимірюють потенціали або струми, що
виникають у живих клітинах. Аналіз цих струмів, потенціалів та їх змін у часі надає інформацію про процеси,
що відбуваються в клітинах, та про взаємодію між клітинами. Проте, деякі особливості об’єкта дослідження, а
саме: розміри та будова клітини, величини сигналів, необхідність спеціального зовнішньоклітинного середовища
та ін., роблять навіть задачу електричного підключення об’єкта до вимірювальної апаратури нетривіальною
справою. Цю задачу вирішують за допомогою спеціальних мікроелектродних систем, які спотворюють електричні
сигнали та не гарантують довготривалого якісного електричного з’єднання. Доводиться налаштовувати підсилювач
під конкретний мікроелектрод/піпетку і періодично контролювати стан електродної системи та якість
електричного з’єднання за допомогою тестових сигналів. Ці сигнали можна використовувати і для стимуляції
клітин.

У даній доповіді будуть розглянуті різні методи відведення електричних сигналів від нервових клітин і
нервових волокон та особливості електронного обладнання для їх реалізації. Доповідь є оглядовою та освітлює
базові принципи побудови і фізичні основи функціонування електронних приладів для електрофізіології.

Анотація семінару: Основною функцією нервової клітини (нейрона) є генерування та передача
електричних імпульсів (т.з. потенціалів дії), яка забезпечується спеціалізованими білковими структурами
(селективними іонними каналами), інтегрованими у зовнішню мембрану. Активність цих каналів відносно
незалежна від внутрішньоклітинних процесів та є предметом дослідження клітинної електрофізіології та
біофізики збудливих мембран.

Нейрон є надзвичайно складною системою, проте фізичні принципи функціонування та методичні підходи для
досліджень є достатньо елементарними. Ці принципи та основні поняття клітинної електрофізіології будуть
розглянуті у даній доповіді. Характерні значення електрофізіологічних параметрів нейрона будуть
проілюстровані прикладами-задачами оціночного характеру. Доповідь можна вважати певним «теоретичним
мінімумом», необхідним для розуміння принципів функціонування нейрона.

Анотація семінару: В умовах війни з кількісно переважаючим противником єдиним способом не
програти є компенсація кількості якістю. Українці дуже вміло адаптували доступні існуючі технології для
ведення бойових дій. Проте вкрай необхідним є розвиток нових інженерних рішень, що дадуть довгострокову
перевагу. Такі рішення потребують високої кваліфікації фахівців, яких зараз недостатньо. Тому в даній
доповіді на прикладі квадрокоптера буде розглянуто динамічну модель польоту та керуючі алгоритми для
стабілізації траєкторії. На прикладі стеку PX4 розглянуто симуляцію в програмному середовищі (software in
the loop).

Далі, приділено увагу тому, як технології штучного інтелекту допомагають вирішити автономне наведення на
ціль та локалізацію в невідомому середовищі. В кінці висвітлено перспективні напрямки та відкриті питання у
створенні автономних роботів. Матмоделювання, керуючі алгоритми та симуляція в програмному забезпеченні є
необхідною складовою будь-яких більш-менш складних інженерних рішень. Дана доповідь є оглядовою і слугує
дороговказом для подальшого самостійного вивчення.

Запис семінару на youtube

Анотація семінару: На сьогодні актуальним є розроблення матеріалів для екранування
електромагнітних полів як наднизької частоти (промислової частоти та її гармонік), так і полів ультрависоких
і вищих частот. Для високочастотних полів бажано мінімізувати коефіцієнти відбиття і забезпечити прийнятний
рівень поглинання. Тобто, є необхідність створення матеріалів з керованими параметрами. Важливою умовою є
можливість застосування екрануючих матеріалів для покриття поверхонь великих площ та складних конфігурацій.
Бажаним є створення матеріалів прийнятної ефективності як у низькочастотній, так і високочастотній областях
спектра. При цьому композиції повинні мати прийнятні стійкості до фізичних і хімічних впливів. Буде
розглянуто напрацювання щодо розроблення таких матеріалів та обговорено шляхи їх удосконалення у залежності
від цивільних та військових потреб.

Анотація семінару: Зниження радіолокаційної та теплової «помітності» безпілотного апарату
відіграє важливу роль при вирішенні складних бойових завдань прориву протиповітряної оборони та знищення
зенітних комплексів. Незважаючи на високу швидкість польоту безпілотного апарату з реактивним двигуном, ця
проблема зберігається і для малорозмірних літальних апаратів.

У доповіді розглянуто сучасні «стелс» технології, застосовувані для великих літальних апаратів, аналізується
можливість та доцільність їх використання для захисту малорозмірних об’єктів. Розглянуто ефективну поверхню
розсіювання різних об’єктів, фізику використання кутової форми літального апарату, радіопоглинаючих
матеріалів та покриттів, спеціальні заходи щодо розташування двигуна. Аналізуються можливі технології
зниження температури вихідного струменя двигуна та зниження теплової «помітності», включаючи подачу
холодного повітря у вихідний струмінь двигуна, використання вихідного ежектора з високим ступенем
перемішування гарячого та холодного потоків. Наводяться деякі приклади малорозмірних безпілотних апаратів
реактивної тяги.

Annotation: Mechanobiology is an interdisciplinary field that examines the critical role
played by mechanical forces in various biological phenomena, including cell migration, tissue development,
and disease progression. Cells constantly sense and respond to mechanical cues from their microenvironment,
and these forces have profound implications for cellular behavior and tissue physiology. By unraveling the
bidirectional force transmission between cells and their surroundings, mechanobiology provides crucial
insights into fundamental biological processes and offers promising avenues for novel therapeutic
interventions. This seminar delves into the importance of mechanobiology and highlights two main techniques,
Traction Force Microscopy (TFM) and Molecular Force Sensors, which are integral to our understanding of how
mechanical forces shape biological systems.

Traction Force Microscopy (TFM) is the long-standing standard technique in mechanobiology that enables the
quantification of ‘traction’ forces exerted by cells on their substrates. TFM relies on the measurement of
substrate deformations caused by cellular forces and the subsequent reconstruction of force maps.
TFM has proven invaluable in studies of cell adhesion, migration, and contractility, as well as in
understanding the mechanical properties of tissues.

Molecular Tension Probes, on the other hand, are recently developed tools that have revolutionized our
ability to investigate mechanical forces at the molecular level within living cells. These probes
rely on the principles of Förster Resonance Energy Transfer (FRET), where the transfer of energy between
fluorophores is extremely sensitive to changes in the distance between them. By fusing FRET donor and
acceptor pairs to force-sensitive proteins inside the cell, researchers can monitor the dynamic mechanical
forces experienced by these molecules in real time. This technology has provided unprecedented insights into
the spatiotemporal distribution of forces within cellular structures, shedding light on how cells perceive,
distribute, and respond to mechanical cues, ultimately contributing to our understanding of
mechanobiological phenomena.

In conclusion, mechanobiology is a field of growing importance that addresses the impact of mechanical
forces on biological systems. The techniques of Traction Force Microscopy and Molecular Tension Probes are
indispensable for dissecting the relationships between mechanical cues and cellular behavior. Their
application not only enhances our understanding of fundamental biology but also holds great promise for the
development of innovative therapeutic strategies in the future. As mechanobiology continues to evolve, these
techniques will remain at the forefront of groundbreaking research in this dynamic and transformative field.

Запис семінару на youtube

Анотація семінару: Війна в Україні характерна широким застосуванням безпілотних літальних
апаратів. Бойові дії ведуться різними типами безпілотних літальних апаратів, що відрізняються цільовим
призначенням, типом двигуна, вагою, розміром та ін. Частина безпілотників від початку розроблена для
виконання бойових завдань, а частина адаптована з комерційних зразків. Всі ці безпілотні літальні апарати
приводяться в рух силовою установкою, призначення якої — перемістити безпілотник у задану точку простору за
певний час.

У доповіді розглянуті існуючі види силових установок в залежності від розмірів та призначення безпілотників.
Також наведені приклади перспективних видів двигунів, які можуть бути використані для покращення
ефективності безпілотних літальних апаратів у майбутньому.

Анотація семінару: Як показує аналіз, значна частка військових операцій, принаймні у
повітряному просторі, виконується за допомогою безпілотних літальних апаратів, які активно взаємодіють з
авіацією та артилерією. Їхній перелік представлений сотнями (навіть тисячами) різних пристроїв, що
відрізняються цільовим призначенням, типом двигуна, вагою, розміром та ін. Успіх застосування таких апаратів
в останніх збройних конфліктах, у тому числі у Сирії та Україні, дозволяє з упевненістю констатувати, що у
найближчому майбутньому — це війна та протистояння безпілотників різного калібру.

У зв’язку з великою кількістю безпілотних літальних апаратів (БПЛА), що розробляються та експлуатуються в
останні роки, існує проблема класифікації цих апаратів. Оскільки БПЛА використовуються в різних сферах,
важко розробити єдину систему класифікації, що охоплює всі БПЛА, і тому на сьогоднішній день відсутній
єдиний стандарт для класифікації безпілотних ЛА.

У доповіді розглянуто різні види класифікації апаратів на початок 2023 року, наведено найбільш характерні
зразки різних типів, виконано аналіз БПЛА, які використовуються у збройному конфлікті між Україною та
Росією.

Анотація семінару: Досвід бойових дій в Україні показав, що безпілотні літальні апарати
відіграють провідну роль у сучасній війні. Сьогодні відомі та випускається широка номенклатура апаратів
вагою від кількох десятків грам до кількох тон, але найбільш широко використовується клас малорозмірних
безпілотних апаратів (МБПЛА) з тягою 10 – 90 кгс. Переважна більшість із них заснована на пропелерній тязі,
вони тихохідні, тому понад 90% їх знищуються ще до досягнення мети. Сьогодні великий інтерес становлять
високошвидкісні, маневрені безпілотні апарати з реактивною тягою, що мають високу бойову «живучість». Однак,
в даний час такі апарати серійно не випускаються.

У доповіді буде розглянуто класифікацію безпілотних апаратів, дано аналіз ринку газотурбінних двигунів
(МГТД) з тягою 10 – 90 кгс та розглянуто базові характеристики МГТД, вагові, геометричні та швидкісні
характеристики МБПЛА з МГТД тягою 10 – 90 кгс. Визначено динамічні та висотно-швидкісні характеристики МБПЛА
з тягою 20 кгс. Розглянуто методи зниження радіолокаційної та теплової «помітності» літальних апаратів,
визначена доцільність їх використання в МБПЛА реактивного типу. Сформульовано перелік можливих
оперативно-тактичних завдань для МБПЛА з МГТД тягою 10 – 90 кгс.