Научные направления

Кафедра теоретической физики и кафедра квантовой теории поля составляют основу научной школы по теоретической физике, созданной профессором В.Г.Багровым. Основными направлениями научной школы являются: теория фундаментальных взаимодействий, теория синхротронного излучения, разработка методов математической физики и их приложений к актуальным проблемам физики, биофизики. На кафедре ведутся научные исследования современных проблем теории конденсированного состояния, связанных с развитием нанотехнологий.
 
Сотрудниками кафедры ведется научная работа по следующим направлениям:
 
  • Спиновые свойства электромагнитного излучения
Руководитель направления д.ф.-м.н., профессор В.А.Бордовицын.
 
Это научное направление возникло на основе исследований спиновых свойств и теории синхротронного излучения релятивистских электронов в рамках научной школы по теоретической физике Московского и Томского Госуниверситетов, которая хорошо известна и получила широкое признание в научном мире (см. [1-3]). В последние годы в рамках этого направления появился ряд интересных и пока ещё нерешённых задач, исследование которых может привести к новым замечательным открытиям. Если более точно сформулировать предмет данных исследований, то это - Собственный вращательный момент электромагнитного излучения. Чтобы лучше понять существо затрагиваемых здесь проблем, остановимся кратко на предыстории этого направления. 
 
В 1899 году известный российский физик - профессор Императорского университета в г. Тарту А.И.Садовский высказал гипотезу о наличии у поляризованной по кругу электромагнитной волны собственного углового момента [4]. Экспериментально этот эффект был обнаружен в 1935 году американским физиком Б.А. Беcом [5] ( более подробно об этом см. в работе [6] ) . С тех пор наличие собственного углового момента у циркулярно поляризованных электромагнитных волн ни у кого не вызывает сомнений. В случае плоской монохроматической волны эта величина, которую можно, как и для электрона, назвать спином, в точности равна постоянной Планка. Тем не менее, в общем виде определение углового момента электромагнитного излучения до сих пор вызывает серьёзные разногласия среди учёных и на страницах многих весьма авторитетных физических журналов время от времени возникают острые дискуссии о правильности теории излучения углового момента, о создании необходимых условий для его наблюдения, а также о возможных многочисленных применениях этого явления в природе, физике и технике. 
 
Предлагаемый профессором В.А.Бордовицыным метод исследований собственного углового момента излучения основан на потенциалах электромагнитного излучения релятивистских спиновых частиц. Этот подход широко использует предыдущие наработки в теории релятивистского излучения и существенно проясняет ситуацию с определением вращательного момента излучения. По существу - это новое научное направление в теории электромагнитного излучения с большими перспективами применений в различных областях науки и техники, а также в исследованиях космического радиоизлучения. 
 
В последнее время активное участие в работах по этому направлению принимают также студенты физического факультета ТГУ (см. [7] и др.). 
 
ЛИТЕРАТУРА 
  1. Synchrotron Radiation Theory and its Development. In memory of I.M.Ternov. Ed.Vladimir A.Bordovitsyn - World Scientific, Singapore-New Jersey-London-Hong Kong, 1999, 447 p. 
  2. Теория излучения релятивистских частиц. Под ред. В.А.Бордовицына - Москва : ФИЗМАТЛИТ, 2002. 576 с. 
  3. В.А.Бордовицын, И.М.Тернов, В.Г.Багров. Спиновый свет. - Успехи физических наук. Т. 165, №9, с. 1083-1094, 1995. 
  4. А.И.Садовский . Пондеромоторные силы электромагнитных и световых волн.- Учёные записки Имп. Юрьевского ун-та. №1, с. 1-126, 1899. 
  5. B.A.Beth. Direct Detection of the Angular Momentum of Light. - Phys. Rev. Vol. 48, p.471; see also: ibid. Vol. 50, p.115 - 125, 1936. 
  6. Г.В.Розенберг. Наблюдение спинового момента сантиметровых волн. - Успехи физических наук. Т.40, с. 328-332, 1950. 
  7. V.A.Bordovitsyn, E.A.Nemchenko, O.A.Konstantinova. In: Programme of the 14th Lomonosov Conference on Elementary Particle Physics. Moscow State University, Faculty of Physics, 19-25 August 2009.
 
  • Методы математической физики в исследовании моделей нелинейных систем
Руководитель направления д.ф.-м.н., профессор А.В. Шаповалов.
 
Данное научное направление представляет собой разработку специальных методов нелинейной математической физики и их приложений к уравнениям, описывающим распределенные нелинейные системы в физике и биофизике. 
Проявлениями нелинейного поведения являются: динамический хаос, формирование локализованных возбуждений, развитие неустойчивостей в нелинейных системах и образование фрактальных структур. Ярким примером локализованных возбуждений которых служат солитоны - устойчивые уединенные волны, распространяющиеся в нелинейной среде. Солитоны представляют собой важный пример проявления общего свойства самоорганизации в нелинейных системах. 
 
В рамках данного научного направления развиваются методы и подходы анализа моделей классических и квантовых нелинейных явлений, таких как бозе-эйнштейновские конденсаты, нелинейная оптика, распространение солитонов в молекуле ДНК. 
 
Методы исследования нелинейных систем применяются к нелинейным моделям биофизики, описывающим динамику популяций микроорганизмов. 
 
Развиваемые в рамках данного научного направления методы базируются на следующих фундаментальных математических теориях: 
теория солитонов - одна из основ современной нелинейной математической физики, квазиклассический метод, развитый академиком В.П. Масловым и его учениками. Метод позволяет стоить широкие классы приближенных решений для различных систем нелинейных уравнений в многомерных пространствах. теория стохастических уравнений, описывающая физические системы, находящиеся под воздействием случайных сил. 
 
В приложениях к конкретным моделям используются методы компьютерного моделирования.
 
  • Первопринципные исследования электронной структуры перспективных материалов
Руководитель направления д.ф.-м.н., профессор С.Е. Кулькова.
 
В современном материаловедении интенсивно используются новые технологии, в том числе компьютерное конструирование перспективных материалов. От специалистов в области физики твердого тела требуется умение разрабатывать теоретические модели, позволяющие адекватно описывать свойства и поведение материалов на различных масштабных уровнях, как в объеме, так и на внутренних и внешних границах раздела, а также создавать компьютерные коды, с помощью которых можно изучать физическо-химические и механические свойства твердых тел с детальным описанием особенностей их атомного и электронного строения. Научное направление проф. Кульковой С.Е. связано с компьютерным моделированием физико-химических и механических свойств перспективных функциональных материалов, на основе которых разрабатываются новые материалы для водородной энергетики, спинтроники, медицины и электроники, приоритетных направлений современного материаловедения. Для исследования электронных свойств материалов используются современные первопринципные методы расчета атомной и электронной структуры на основе теории функционала электронной плотности, такие как полно-потенциальный метод присоединенных плоских волн (ПП ЛППВ), и полно-потенциальный линейный метод маффин-тин орбиталей (ПП ЛМТО), линейный метод маффин-тин орбиталей в приближении атомной сферы (ЛМТО-ПАС), метод ККР-КП, метод псевдопотенциала и другие, а также разработанные в группе программы. 
 
Один из текущих проектов связан с изучением физико-химической природы взаимодействия водорода с переходными металлами на поверхности, в объёме, на границах зерен в сплавах и гидридах переходных металлов, в том числе в присутствии дефектов и дефектных комплексов. Исследуется влияние водорода на электронные, магнитные характеристики, термодинамическую стабильность металлических соединений, на релаксацию и реконструкцию поверхности в процессах сорбции и десорбции водорода. Изучается природа химической связи металл-металл и металл-водород, влияние компонентов сплавов и гидридов, дефектов и легирующих добавок на водородонакопительную способность материалов. Исследования направлены на разработку теоретических основ получения новых материалов для водородной энергетики. 
 
Спинтроника является одним из новых направлений современной физики, которое притягивает всё больше исследователей многообещающими практическими применениями. Если в традиционной электронике используется обычный электрический ток, то электроника нового поколения основана на токе, создаваемом электронами с однонаправленными спинами. Управление спиновым током, возможное, например, в слоистых гетероструктурах на основе полупроводников и металлов, открывает возможность создания высокоскоростных элементов магнитной памяти и логических устройств, потребляющих малую мощность. Магнитные датчики, элементы памяти и переключатели, созданные из таких материалов, будут иметь более высокие характеристики по сравнению с приборами нынешнего поколения. Расчетные методы, позволяющие изучать атомную и электронную структуру, магнитные и кинетические свойства, являются фактически единственным эффективным инструментом исследования в этой области науки, поскольку экспериментальная реализация оптимальных гетероструктур является трудновыполнимой и дорогостоящей задачей. Разработка материалов на основе полупроводников и сплавов Гейслера для спинтроники также ведется в группе Кульковой С.Е. Не менее актуальной задачей является исследование взаимосвязи структуры и магнитных свойств в сплавах Гейслера с эффектом памяти формы. Наряду с электронными свойствами исследуются особенности фазовых превращений в сплавах Гейслера в объеме и в тонких пленках, а также предмартенситные аномалии и фононные спектры в зависимости от состава, в присутствии дефектов и дефектных комплексов. Данный проект выполняется совместно с учеными из Института исследования металлов Китайской Академии наук (Шеньян) в рамках совместного проекта РФФИ-ГФЕН. 
 
В группе проводится комплексное исследование атомной и электронной структуры, физико-химических и механических свойств низкоразмерных структур (поверхности, тонких пленок, границ раздела) на основе переходных и простых металлов, а также оксидов. Изучаются механизмы формирования химической связи на границах раздела и особенности ее изменения в зависимости от структуры, состава и наличия дефектов в оксидных подложках, и также концентрации металлических адсорбатов. Изучается влияние деформации, диффузии интерфейсных атомов на адгезию металлических пленок, магнитные характеристики металлов и сплавов на границах раздела металл-металл (сплав), металл (сплав)-оксид. Данный проект выполняется совместно с исследователями из университета Штутгарта, а также он поддержан Российским фондом фундаментальных исследований. 
 
Актуальной задачей является также теоретическое исследование упорядоченных наноструктур на поверхности материалов. Известно, что информацию о поведении больших атомных ансамблей можно получить, используя молекулярно-динамическое моделирование. Для понимания на микроскопическом уровне процессов происходящих в материале недостаточно лишь знания макроскопических характеристик, необходимо также детальное знание электронной структуры материала. Понимание механизмов формирования поверхностных наноструктур, их физических свойств, позволяет на атомном уровне управлять и задавать необходимые технологические свойства. Именно поэтому теоретические исследования фундаментального характера являются неотъемлемой частью проблемно-ориентированных задач. В группе исследуются механизмы селективного взаимодействия металлов и газов, в частности, галогенов, с полупроводниковыми подложками. Последняя задача особенно актуальна для разработки новых технологий создания атомарно-гладких полупроводниковых поверхностей. Данные исследования выполняются в рамках интеграционного междисциплинарного проекта фундаментальных исследований СО РАН. 
 
Текущие проекты 
  1. Исследование влияния дефектов на адгезию на границах раздела металл-керамика 
  2. Изучение предмартенситных явлений в магнитных сплавах Гейслера с эффектом памяти формы: первопринципный подход 
  3. Исследование сорбции водорода на внутренних и внешних поверхностях металлов и сплавов, а также влияния водорода на процесс образования дефектной структуры в ряде перспективных материалов (палладий, сплавы титана, магния и др.). 
  4. Физико-химические принципы формирования совершенных гетерограниц полупроводники А3В5-диэлектрик для создания оптоэлектронных приборов 
  5. Адсорбция металлов и галогенов на поверхностях полупроводников А3В5 
  6. Влияние дефектов и состава на электронную структуру и магнитные свойства границ раздела сплав Гейслера-полупроводник
 
  • Ab initio расчеты процессов электрон-фононной релаксации в полупроводниках и полупроводниковых наноструктурах при высоких уровнях возбуждения электронов
Руководитель направления д.ф.-м.н., профессор В.Г. Тютерев 
 
На основе квантово-механических расчетов построена теория рассеяния носителей заряда на колебаниях решетки с произвольной длиной волны в многокомпонентных полупроводниковых соединениях. Преимущества перед известными аналогами состоят в полностью самосогласованном характере расчетов, не требующем подгонки под экспериментальные данные. Разработаны эффективные алгоритмы и из первых принципов впервые рассчитаны характеристики взаимодействия носителей заряда с коротковолновыми фононами в кристаллическом кремнии, в бинарных полупроводниках А3В5 и наноструктурах (GaAs)n/(AlAs)m. Предполагаемое развитие исследований: расчет междолинных деформационных потенциалов с участием интерфейсных состояний в сверхрешетках; исследование параметров электрон-фононного взаимодействия для запрещенных переходов в кремниевых и Si-Ge наноструктурах; расчет времен жизни мелких примесных уровней в Si и Ge в за счет переходов с участием запрещенных по симметрии междолинных фононов; построение модели процессов электронного транспорта в полупроводниковых многокомпонентных наноструктурах; поиск и предсказание новых искусственных материалов полупроводниковой наноэлектроники с заданными физическими характеристиками. 
 
ЛИТЕРАТУРА 
  1. Skachkov S.I., Tyuterev V. G., "On the lattice dynamics of AgGaS2", Il Nuovo Cimento v.D14, N11, pp.1091-1095, 1992. 
  2. Skachkov S.I., Tyuterev V. G., "Lattice dynamics, thermodynamic and elastic properties of CdGeAs2", Il Nuovo Cimento v.D14, N11, pp.1097-1103, 1992. 
  3. Skachkov S.I., Tyuterev V. G., "The theory of optical absorption due to multiphonon processes in CdGeAs2", Japan Journal of Applied. Physics v.32, suppl. 32-3, pp.546-548, 1993. 
  4. Karavaev G.F., Grinyaev S.N, Tyuterev V. G., "Intervalley deformation potentials in (AlAs)1(GaAs)1 superlattice". Physica B: Semiconductors, v.228/3-4, pp.319-328, 1996. 
  5. Tyuterev V. G., Manca P. ,Mula G.. "Lattice dynamics of YBa2Cu3O7-x in oxygen-vacancy ordered ortho-II and ortho-III superstructures", Physica С.: Superconductors, v.297/1-2, pp.32-42, 1998. 
  6. Tyuterev V. G., "Nonlocal dielectric screening and electric fields associated with optical vibrations in superlattices", Journal of Physics: Condensed Matter , v.11, N9, pp.2153-2169, 1999. 
  7. S.I. Borisenko, V.Y. Rud',Y. V. Rud', V. G.Tyuterev, "Analysis of the temperature dependence of electron mobility in CdGeAs2 single crystals", Semiconductor Science and Technology, v.17, N 10, pp.1128-1132, 2002. 
  8. V.G. Tyuterev, "Interactions of electrons with polar optical phonons in semiconductor superlattices", Physics of the solid state, v.47, N3, pp. 560-570, 2005. 
  9. Л.Н. Никитина, С.Н. Гриняев, В.Г.Тютерев, "Междолинное рассеяние электронов на фононах в сверхрешетке (AlAs)1(GaAs)3 (001) " , Физика и техника полупроводников, т.48, в.1, 120-127, 2006. 
  10. J. Sjakste, V. Tyuterev, N. Vast, "Ab initio study of ?-X intervalley scattering in GaAs under pressure", Physical Review B, v 74, pp 235216-235223, 2006. 
  11. V. Tyuterev, N. Vast , "Murnaghan's equation of state for the electronic ground state energy", Computer Material Science, ,v.38, 350-353, 2006. 
  12. J. Sjakste, N. Vast, V. Tyuterev, "Ab initio method for the electron-phonon scattering times in semiconductors: application to GaAs and GaP", Physical Review Letters, v.99, pp 236405-1 -236405-4, 2007.
  13. J. Sjakste, V. Tyuterev, N. Vast, "Intervalley scattering in semiconductors: ab initio calculation of the effective parameters for Monte-Carlo simulations", Applied Physics A,v.86, pp 301-30, 2007. 
  14. J. Sjakste, N. Vast, V. Tyuterev, "Ab initio study of electron-phonon coupling in GaAs under pressure and in GaP", Journal of Luminescence, V. 128/5-6 pp 1004-1006, 2008. 
  15. С.В.Обухов, В.Г.Тютерев, "AB-INITIO расчет деформационных потенциалов для междолинных фононов в кремнии", Физика твердого тела, т.51, в.6, cc. 1051-1054, 2009.