Физический факультет ННГУ
Вход Регистрация Карта сайта Форум

Научно-исследовательские направления

Теоретической физики (ТФ)
Научно-исследовательские направления

Кристаллы и полупроводниковые структуры в сверхсильном магнитном поле

На протяжении нескольких десятилетий квантовомеханическая задача об электроне в кристалле (блоховском электроне), помещенном в постоянное магнитное поле, неизменно привлекает внимание физиков. Дело в том, что действие магнитного поля и периодического потенциала на электрон существенно различаются по своей природе. Магнитное поле формирует дис­кретные уровни Ландау, в то время как перио­дический потенциал приводит к об­ра­зо­ванию энергетических зон.

В работах сотрудников кафедры В.Я. Демиховского, А.А. Пе­рова и Д.В. Хо­мицкого исследовались квантовые сос­тояния электронов в кристаллах, по­ме­щенных в сверхсильное магнитное поле. Под сверхсильным понимается поле на­пря­женностью порядка единиц-десятков ме­гагаусс (для срав­нения: у поверхности Зем­ли магнитное поле в среднем ~ 0.5 Гс). Интересно, что такое поле радикально меняет энер­ге­тический спектр и, как след­ствие, все кинетические и термодинамические характерис­ти­ки металлов и полу­про­вод­ников. Тео­ре­тические исследования проводятся в тесном контакте с группой экс­пе­ри­мен­таторов из Фе­дерального Ядер­ного Цент­ра (г. Са­ров), где с помощью взрыв­ных маг­нит­ных гене­ра­то­ров получают поля до 30 МГс.

В работах тех же авторов изучаются физические свойства искусственных крис­таллов, сфор­мированных из кван­товых то­чек. Предсказан фото­галь­ва­ни­ческий эф­фект в двумерных периодических системах без центра инверсии.


Критическое состояние макроскопических конденсированных систем

Изучение пространственно-временного поведения сложных макроскопических систем является актуальной задачей современной статистической физики. Знание законов функционирования подобных систем позволит обеспечить эффективное их применение в практике. Так, например, в конце XX – начале XXI века активно используются новые методы самоорганизованного роста наноостровков, широко применяемых при росте полупроводниковых нанокристаллов. Изучение пластических и упругих свойств нанокристаллов представляет собой актуальную задачу наномеханики. То обстоятельство, что указанные системы находятся далеко от условий термодинамического равновесия, а именно, в так называемом критическом состоянии, не позволяет применить стандартные равновесно-термодинамические подходы для их описания. С другой стороны, наличие так называемых «ведущих» степеней свобод, предоставляет некоторые шан­сы для количественного описания данных систем, и вместе с тем требует развития принципиально новых подходов к их описанию. Таким, образом, решение подобных проб­лем преду­смат­ри­вает выбор наиболее адекватной модели реальной системы и про­ведение наиболее полного ее анализа. Здесь потребуются значи­тельные творческие усилия для успешного моделирования таких систем.

В работах доцента кафедры И.Л. Максимова с группой аспирантов теоретически описана кинетика зародышеобразования в неравновесных растворах. Предсказано явление нуклеационного убегания, описана его кинетика. Теоретически описан температурный отклик одномерного кристалла с уединенной трещиной. Обнаружено критическое поведение системы вблизи порога структурного перехода, определены критические индексы системы. Также была рассчитана температурная зависимость поверхностной энергии трещины. В работе была теоретически описана кинетика коалесценции неравновесных растворов. Предсказано существование локализованных в пространстве размеров решений, построены автомодельные решения для кинетики коалесценции, контролируемой различными механизмами роста зародышей.


Квантовый хаос

Под “квантовым хаосом” в современной физике принято понимать круг задач и явлений, связанных с системами, чьи классические аналоги являются хаотическими. И если еще в конце 80-х годов прошлого века употребление данного термина вызывало вопросы, то в настоящее время теоретическими и экспериментальными изысканиями в этой области науки занимается множество исследовательских групп.

Своими исследованиями в рамках данного направления на кафедре теоретической физики в разное время занимались и занимаются В.Я. Демиховский, Д.И. Каменев (в настоящее время сотрудник Лос-Аламосской Национальной Лаборатории, США), А.И. Малышев. Ими решен ряд задач, имеющих высокую ценность с точки зрения общей теории квантового хаоса.

В работах В.Я. Демихов­ского и А.И. Малышева исследован квантовый хаос в канале с гофрированной границей. В присутствии переменного электрического поля движение частицы в таком канале хаотично. В квантовой задаче хаотичность проявляется в случайном характере волновых функций и энер­ге­ти­чес­кого спектра.

Было выяснено, что в такой системе может иметь место квантовая диффузия Арнольда. Классическая диффузия Арнольда, открытая советским математиком В.И. Арнольдом в 1964 г., – это универсальное динамическое явление, имеющее место в нелинейных системах с числом степеней свободы N > 2. В работах В.Я. Демихов­ского и А.И. Малышева (совместно с профессором Ф.М. Из­рай­ле­вым, Мексика) построена теория квантовой диффузии Арнольда. Данное явление представляет собой новый тип квантовой эволюции состояний и может быть обнаружено, например, в двумерных полупроводниковых структурах (квантовых биллиардах, коралях), помещенных во внешние, периодические во времени поля, в сложных молекулах и т.д. Вскоре после опубликования работа “Manifestation of Arnol’d Diffusion in Quantum Systems” (Physical Review Letters 88, 154101 (2002)) заслужила положительную рецензию в заметке “The classical face of quantum chaos”, размещенную на сайте www.nature.com.

А.И. Малышевым был осуществлен перевод на русский язык книги немецкого профессора H.-J. Stöckmann “The Quantum Chaos: An Introduc­tion”. В.Я. Демиховский был научным редактором пере­вода. На русском языке книга вышла в 2004 г. в издательстве “Физматлит”.


Теория электронных явлений в наноструктурах

Динамический контроль электронных состояний – это управление свойствами отдельных электронов посредством воздействия на них внешними переменными электромагнитными полями. В современных полупроводниковых гетероструктурах с размерами в несколько нанометров (таких как туннельно-связанные квантовые точки, проволоки, слои) можно формировать состояния с заданным пространственным распределением и контролируемым образом преобразовывать их, действуя сильным переменным полем. Это открывает возможности для создания методами зонной инженерии различных сверхчувствительных полупроводниковых элементов, действие которых основано на квантовой динамике одного или нескольких электронов.

Группа аспирантов, магистров и студентов под руководством доцента кафедры В.А. Бурдова занимается решением задач управляемой электронной динамики в наноскопических квантовых полупроводниковых структурах. Наряду с этим рассматриваются вопросы электронного транспорта в открытых квантовых точках в сильных магнитных полях (теоретические аспекты магнитной туннельной спектроскопии квантовых точек), а также изучаются оптические свойства полупроводниковых нанокристаллов – искусственных атомов – выращенных различными методами в слоях широкозонных материалов.


Магнитные молекулы в электромагнитных и акустических полях

Магнитные молекулы (кластеры) – объекты с размерами порядка нанометра, занимающие промежуточное положение между магнитными атомами и макроскопическими магнетиками. Поэтому их иногда называют мезоскопическими магнитами. В магнитных молекулах проявляется квантовый эффект – туннелирование намагниченности. Магнитные молекулы изучаются с целью создания элементов памяти со сверхплотной упаковкой информации, квантовых компьютеров, твердотельных мазеров нового поколения, а также для получения эффекта сверхизлучения.

Г.А. Вугальтером в соавторстве с сотрудниками института физики микроструктур РАН и НИФТИ показано, что в присутствии резонансного переменного магнитного поля время туннелирования намагниченности магнитных молекул может быть заметно меньше, чем в отсутствие переменного поля. Впервые рассмотрено нестационарное взаимодействие магнитной молекулы с двухчастотным переменным магнитным полем, а также нестационарное взаимодействие магнитной молекулы с сильным переменным магнитным полем и акустической волной. Показано, что сильное переменное поле влияет на поглощение магнитными молекулами слабого переменного поля.

Предсказан эффект параметрического взаимодействия двух акустических волн, распространяющихся навстречу друг другу в кристалле магнитных молекул, в присутствии сильного резонансного магнитного поля.


Вихревые структуры в сверхпроводниках

Как известно, магнитное поле в сверхпроводник не проникает. Оказывается, что это ограничение применимо только к чистым металлам (да и то не всем – есть счастливые исключения в виде ниобия и ванадия). В сверхпроводящие сплавы, а точнее – в сверхпроводники второго рода – поле может проникать, но в виде Абрикосовских вихрей, каждый из которых несет один квант магнитного потока. Абрикосовский вихрь являет собой пример топологического солитона – образования, неуничтожимого без заметных затрат энергии. Вихри взаимодействуют между собой, отталкиваясь друг от друга, если их топологические заряды одинаковы, и притягиваясь в противоположном случае (пара вихрь-антивихрь). В сравнительно сильных магнитных полях, превышающих первое критическое, они могут проникать в сверхпроводник, где выстраиваются в так называемую вихревую решетку. При пропускании достаточно сильного тока вихри неизбежно срываются с мест их закрепления и движутся в направлении силы Лоренца. Возникает режим течения магнитного потока, переводящий сверхпроводник в резистивное состояние.

Прикладное значение сверхпроводимости в современной науке и технике велико и продолжает возрастать. Так, материалы с высокими критическими параметрами позволяют получить сверхсильные магнитные поля (до 20 Тл), а высокочувствительные квантовые интерферометры способны регистрировать магнитные поля до 10^(–14) Э. Изучение свойств вихревого состояния в сверхпроводниках (особенно высокотемпературных) является фундаментальной проблемой современной физики сверхпроводимости.

В работах доцентов кафедры Г.М. Максимовой и И.Л. Максимова, выполненных в соавторстве с аспирантами и студентами старших курсов изучается вихревое состояние сверхпроводников различной геометрии и структуры, находящихся во внешнем электромагнитном поле. Теоретически исследованы границы устойчивости вихревого состояния в пленках высокотемпературных сверхпроводников, изучены особенности резистивного состояния сверхпроводников второго рода. Предсказаны термомагнитные ударные волны в сверхпроводниках и ряд других эффектов.


 
603950, Нижний Новгород, пр. Гагарина, 23, корп.3,
тел. (831) 462-33-02. e-mail: dekanat@phys.unn.ru

Яндекс цитирования Rambler's Top100