Институт теоретической физики им. Л.Д. Ландау РАН

Институт теоретической физики им. Л.Д. Ландау ведет исследования в большинстве направлений современной теоретической и математической физики. Традиционно, с момента основания ИТФ в 1965 г., главными направлениями его деятельности были теория конденсированного состояния (т.е. теория сверхпроводимости и сверхтекучести, магнитных явлений и фазовых переходов, полупроводников и квантовых жидкостей), квантовая теория поля, космология и релятивисткая астрофизика. В последующие годы к ним добавились также теория турбулентности, теория солитонов и ряд других разделов математической физики, гидродинамика и теория плазмы. С начала 80-х годов активно развиваются исследования по вычислительной физике, а в последние годы и по сетевым технологиям.

Традиционно сильной чертой ИТФ было активное взаимодействие между учеными, работающими в различных научных направлениях (например, в квантовой теории поля и в теории сверхпроводимости или фазовых переходов) - это очень помогало развитию неожиданных (и невозможных для узких специалистов) новых подходов к решению сложнейших задач. Мы стараемся поддерживать эту традицию: в Институте действует единый научный семинар (помимо независимых семинаров секторов, работающих по отдельным направлениям), а студенты базовой кафедры ФОПФ "Проблемы теоретической физики" получают на 4-5 курсах широкое образование: читаются лекции по нескольким направлениям теории конденсированного состояния, имеются единый трехсеместровый курс квантовой теории поля, а также курсы гидродинамики и вычислительной физики.

В настоящее время в ИТФ сложились следующие направления исследований и подготовки студентов ("сектора"):

  • Теория конденсированного состояния

  • Квантовая мезоскопика

  • Квантовая теория поля

  • Релятивистская астрофизика и космология

  • Математическая физика

  • Вычислительная физика

  • Гидродинамика и теория турбулентности

В работе Центра "Квантовая нанофизика" принимает непосредственное участие Сектор квантовой мезоскопики. Проводимые Сектором исследования сосредоточены на следующих направлениях:

1. Мезоскопические сверхпроводники и гибридные структуры

Физика обычных "низкотемпературных" сверхпроводников вполне хорошо изучена, если речь идет о однородном макроскопическом образце какого-либо металла или сплава. Если же мы имеем дело со сверхпроводниками очень малых (субмикронных) размеров, соединенными друг с другом микро-контактами - возникает масса удивительных эффектов, в которых чисто квантовомеханические явления проявляются на почти макроскопические масштабах. Например, сопротивление цепи последовательно соединенных через оксидный барьер сверхпроводника и нормального металла может убывать при увеличении сопротивления нормального металла, а при последовательно-параллельном соединении (вилка из двух нормалных проволок) и осциллировать на величину порядка своего значения при слабом изменении магнитного поля. Другой пример: оказывается возможным контролировать четность числа N электронов, находящихся на островке сверхпроводящего металла, хотя само N может быть весьма большим - порядка 10^9-10^10 - это т.н. сверхпроводящий эффект четности (эффект четности давно известен в ядерной физике, но там он имеет совсем другое происхождение, да и число частиц не превышает пары сотен). Очень интересные явления возникают в контактах сверхпроводников через слой ферромагнетика или даже через двумерный электронный газ в полупроводниковой гетероструктуре - все системы активно изучаются экспериментально в последние годы. Искуственные решетки сверхпроводящих туннельных контактов субмикронных размеров служат "лабораторией" для проверки идей о том, как происходят квантовые фазовые переходы между сверхпроводящим и диэлектрическим состояниями. Наконец, именно на основе эффекта Джозефсона в субмикронных структурах были недавно созданы первые прообразы электрически управляемых "квантовых битов".

2. Квантовые фазовые переходы

При изменении параметров - плотности электронов, внешнего магнитного поля, концентрации дефектов - тип основного состояния макроскопической квантовой системы может скачком изменяться. Такие явления называются квантовыми фазовыми переходами - в отличии от обычных переходов (например, из парамагнетика в ферроомагнетик, или из нормального металла в сверхпроводник), контролируемых, как правило, изменением температуры. Большой интерес вызывает проблема описания фазовых переходов между сверхпроводящим, металлическим и диэлектрическим основным состояниями в сильно неупорядоченных двумерных системах. Хотя различным подходам к решению этой проблемы посвящено огромное количество как теоретических так и экспериментальных работ за последние 20 лет, даже качественная картина происходящего остается не вполне ясной - не говоря уже о количественной теории, в развитии которой сделаны только первые шаги.

3. Низкоразмерные электронные системы в гетероструктурах

В электронике используются все более компактные системы. Наиболее физически интересные из них - двумерные электронные системы - возникли в результате изучения работы полевого управляемого транзистора. Создается искусственная потенциальная яма, в которой при низкой температуре заполнен только один квантовый уровень и электроны локализованы в поперечном к плоскости ямы направлении. Остальные две степени свободы образуют "двумерный мир", в котором живут электроны. Особенно удивительными свойствами обладают такие системы, помещенные в сильное перпендикулярное магнитное поле, так что невзаимодействующие электроны находились бы на одном макроскопически вырожденном уровне Ландау. Оказывается, что такая электронная система ведет себя как диэлектрик в том смысле, что диссипативный ток в ней отсутствует; при этом, однако, она имеет конечную холловскую проводимость: ток течет перпендикулярно приложенному электрическому полю. Причем существуют состояния, в которых - в зависимости от плотности электронов - холловская проводимость принимает квантованные значения и равна с чрезвычайно высокой точностью целым или специальным дробным долям универсальной квантовой величины. При этом сам ток может переносится особыми "квазичастицами", имеющими дробный электронный заряд. При некоторой критической плотности электронов система ведет себя так, как будто бы никакого внешнего магнитного поля нет: электроны имеют Ферми поверхность и омическую проводимость. Все эти эффекты вызываются взаимодействием электронов и случайно расположенными примесями. Несмотря на почти двадцатилетнюю историю - с момента экспериментального открытия квантового эффекта Холла - полного понимания соответствующих физических явлений до сих пор нет, и продолжаются интенсивные теоретические и экспериментальные исследования. Работы, ведущиеся в этом направлении в ИТФ им. Ландау, связаны с экспериментами, проводимыми в ИФТТ РАН.

4.Квантовый магнетизм

Обычно обменное взаимодействие спинов магнитных ионов в решетке приводит к их упорядочению в ферро- или антиферромагнитную структуру, характеризуемую дальним порядком. Это означает, что зная среднее направление локализованного магнитного момента в некотором узле решетки, можно определить, куда будет направлен магнитный момент в любом другом узле. Так всегда происходит в "квазиклассических" случаях, когда спин на каждом узле решетки велик по сравнению с минимальным возможным (т.е. 1/2) - тогда спины можно рассматривать как почти классические "стрелочки", и минимизация энергии их взаимодействия приводит к выбору какой-то из упорядоченных структур. Однако в решетках из спинов 1/2 квантовые флуктуации очень сильны, и в некоторых случаях даже при T=0 никакой упорядоченной структуры не образуется. Такое состояние называют обычно спиновой жидкостью - в отличие от ферро- или антиферромагнетика, аналогичных кристаллическим состояниям. Это очень странная жидкость, т.к. ее энтропия должна быть равна нулю (ведь мы сейчас обсуждаем случай нулевой температуры!). Почти все, что сейчас известно о спиновых жидкостях - результат очень трудоемких численных расчетов. Настоящую теорию этого состояния еще предстоит построить.

5. Физика квантовых вычислений

Для реализации квантового вычисления надо научиться делать квантовые двоичные элементы (эквивалентные спинам 1/2) вместо обычных классических двоичных ячеек (0,1), и управлять квантовыми состояниями этих элементов (их называют квантовыми битами, или сокращенно - кубитами) как поодиночке, так и парами из любых двух кубитов. Последовательность заданных значений управляющих параметров (они эквивалентны компонентам магнитного поля, действующего на каждый "спин" - кубит, и величинам парных обменных взаимодействий между ними) и составляет алгоритм квантового вычисления. По окончании дейстия алгоритма надо провести квантовомеханическое измерение состояний всех кубитов - это и будет результат вычисления. Все это на первый взгляд имеет вид технической проблемы - поскольку исходные элементы, из которых предполагается строить кубиты и их взаимодействия подчиняются обычной, хорошо изученной квантовой механике. Однако сложность этой "технической" проблемы столь велика, что она превращается в проблему принципиальную и очень интересную при любой попытке ее решать. Дело в том, что необходимо совместить два принципиально противоположных условия: с одной стороны, мы хотим иметь дело с большой квантовой системой (из многих кубитов), которая должна быть очень хорошо "заэкранирована" от любых посторонних взаимодействий с внешней средой - иначе наша система быстро потеряет свои квантовые свойства - станет эквивалентна набору классических двоичных битов, и никакого квантового вычисления провести не удастся. С другой стороны, мы должны уметь управлять (с большой точночстью) значениями "полей", действующих на каждый кубит - для того чтобы реализовать заданный алгоритм. Очевидно, что эти два требования противоречивы. Выполнить их оба одновременно чрезвычайно сложно, и это потребует куда более глубокого понимания квантовой механики систем многих частиц, чем уже достигнуто физикой за последние десятилетия - а также и создания "квантовой инженерии", отличающейся от квантовой механики примерно так же, как теория машин и механизмов или сопромат отличаются от классической механики Ньютона и Лагранжа.

 

 

главная     о центре     кафедры     исследования     обучение    публикации      контактная информация