Основные направления научных исследований: 

1. КВАНТОВАЯ ТЕОРИЯ МАГНЕТИЗМА

          Казалось бы, что может быть проще, чем явление магнетизма? Все мы в детстве развлекались с постоянными магнитами, «исследуя» их свойства на различных материалах. Ну и что здесь сложного? Есть классическая электродинамика, в рамках которой эти красивые и наглядные эффекты удается довольно просто объяснить. Но такое мнение существовало где-то до конца 19-го века. Однако, с развитием техники эксперимента и вообще физики, оказывается, что такое простое описание сильного магнетизма (ферро- или антиферромагнетизма) в рамках классической электродинамики вступает в противоречие с наблюдаемыми эффектами. Но наука, к счастью не стоит на месте, и к середине 30-х годов прошлого века уже были сформированы основные принципы квантовой теории. На основе этой теории было показано, что сильный магнетизм (ферро-, ферри- и антиферромагнетизм) является эффектом исключительно квантовым, и обусловлен взаимодействием внутренних электронных оболочек ближайших атомов, обладающих собственным (спиновым) магнитным моментом.

          С тех давних пор прошло почти 100 лет, а вопрос о сильном магнетизме остается актуальным. Этот интерес имеет двоякую природу: конечно же это чисто академический («хочется допросить природу с пристрастием»), но и чисто прикладной. Если вы посмотрите на окружающие приборы и устройства, но сразу же скажете, что без использования магнитных свойств различных материалов невозможна работа электродвигателей, компьютеров, телефонов, средств связи, хранения и обработки информации.

          Однако, современная теория магнетизма не стоит на месте. Сейчас уже понятно, что элементная база современного приборостроения, основой которого является микроэлектроника, достигла своего физического предела. Что это значит? А очень просто: дальнейшее увеличение объема памяти или быстродействия прибора на основе переноса электрического заряда становится экономически и энергетически не выгодным. Современное приборостроение переходит на новый уровень, когда переносчиком «тока» становится спин (локальный магнитный момент) магнитоактивного атома. Это направление в теории магнетизма получило название спинтроники, по аналогии с микроэлектроникой. На этой основе разрабатываются спиновые транзисторы и спиновые диоды, спиновые вентили, и даже квантовые кубиты (основа памяти квантовых компьютеров).

          Вот такими вопросами занимаются на кафедре теоретической физики ФТИ. Хотя наши исследования не реализуются в «железе», но они позволяют экспериментаторам и инженерам понять какие материалы и в каких диапазонах магнитных полей и температур можно использовать для создания спинтронных устройств. Результаты наших исследований опубликованы в ведущих российских и зарубежных специализированных журналах, поддержаны грантами Российского Фонда Фундаментальных Исследований, и ряда других научных организаций.

                                                                                                                                                                        Ю.А. Фридман

2. СИНГУЛЯРНАЯ ОПТИКА

           Направление Сингулярная оптика начало развиваться на кафедре с 1997 г, сначала в рамках филиала аналогичного направления кафедры общей физики. К настоящему времени по этому направлению выпускниками кафедры защищено 4 кандидатских и 2 докторские диссертации, имеется аспирантура. Непосредственно на кафедре оно представлено профессором Алексеевым К.Н. и доцентом Яворским М.А. (оба – доктора наук), которые проводят активные научные исследования в этой области со своими учениками, сотрудниками ФТИ доцентами Лапиным Б.П. и Баршак Е.В., а также – в рамках грантов РНФ и РФФИ – с сотрудниками других кафедр физтеха. Результаты научной деятельности группы ежегодно публикуются в 5-10 научных статьях в высокорейтинговых специализированных журналах из баз данных SCOPUS и WoS, таких как Optica, Optics Letters, Physical Review А и других.

          Сингулярная оптика – сравнительно молодое направление современной оптики, исследующее закономерности распространения световых полей с сингулярностями волнового фронта. Под последними понимают точки, в которых фаза волны не определена. Отличительной особенностью таких точек является строгое (не интерференционное) обращение интенсивности поля в ноль. Также обход фазы поля вокруг точки сингулярности приводит к ее приращению на целое кратное 2pi. Подобный набег фазы определяет топологический заряд точки сингулярности.

          Эти достаточно абстрактные свойства оптических сингулярностей приводят к выраженным физическим эффектам, связанным с наличием таких точек в оптическом поле. Ярчайшим из них является наличие циркуляции потока электромагнитной энергии вокруг таких точек. Благодаря такому эффекту вихревого движения световой энергии в окрестности фазовой сингулярности подобные оптические поля получили второе название – оптические вихри или закрученный свет (twisted light). Оказывается, световое поле оптического вихря обладает собственным (т. е. не устранимым никаким преобразованием системы координат) угловым моментом и может переносить его на расстояния. Такое свойство оптических вихрей обуславливает их применение для захвата и манипулирования микрочастицами. Принципы и идеи сингулярной оптики также находят приложение в астрофизике и микроскопии. В последнее время состояния с собственным орбитальным угловым моментом начали использовать для передачи кодированной на них информации. Их взаимная ортогональность (даже не спрашивайте, что это такое) позволяет теоретически увеличивать до бесконечности пропускную способность информационных каналов.

          В настоящее время в рамках гранта РНФ на кафедре активно исследуются процессы управления характеристиками оптических вихрей в оптоволоконных микрорезонаторах и волоконных акустооптических системах.

                                                                                                                                                                     К.Н. Алексеев

3. КОСМОЛОГИЯ И ТЕОРИЯ КОСМИЧЕСКИХ СТРУН

          Трудно не согласиться с тем, что окружающая Нас Вселенная является самым крупным и самым таинственным объектом, который когда-либо будет доступен человечеству для исследования. Существующая цивилизация, шаг за шагом проходя циклы своего развития, и как следствие, получая в своё распоряжение всё более точные инструменты наблюдения, имеет возможность формулировать всё более точные представления о физике процессов в наблюдаемой Вселенной. По-видимому, самой яркой иллюстрацией востребованности таких исследований является количество нобелевских премий по физике, присуждённых за открытия в этой области. А именно, за последние 10 лет (с 2011 по 2021) таких премий было шесть.

          Космология как наука исследует вопросы, связанные с происхождением и эволюцией Вселенной. В свою очередь, теория космических струн, как теория, которая потенциально способна объединить два столпа современной физики: квантовую механику и общую теорию относительности, является частью космологии, поскольку способна предложить множество вариантов влияния как на начальном (сингулярном) этапе эволюции Вселенной, так и на последующих. Область возможных применений космических струн в космологии чрезвычайно широка: начиная от механизмов генерации первичных флуктуаций плотности вещества в ранней Вселенной, до источников ускоренного расширения (инфляции), тёмной энергии и тёмной материи, проявление которых наблюдаются в современной Вселенной.

           Основателями данного направления исследования на кафедре теоретической физики являются доцент Рощупкин Сергей Николаевич и профессор Арифов Ленур Ягъя. Основные направление исследования – гравитационное поле отдельной нуль-струны, а также особенности гравитационного взаимодействие в газе нуль-струн и его возможные космологические следствия. Нуль-струна является протяжённым (одномерным) аналогом точечной безмассовой частицы (масса покоя равна нулю), т.е., нуль-струны движутся со скоростью света (не существует систем отсчёта в которых нуль-струна покоится). Исследования, проведённые доцентом Леляковым А.П., в том числе и совместно с учениками Бабаджан Р.-Д.А., Карпенко А.С., Ханейчук О.В., показали ряд интересных результатов. Например, возможность образования в газе нуль-струн первичных частиц с ненулевой массой покоя. Структурно такие частицы состоят из двух гравитационно-взаимодействующих нуль-струн. Время жизни таких частиц в зависимости от окружения в газе может быть, как чрезвычайно коротким, так и длительным. Возможное космологическое приложение таких частиц – один из вкладов в тёмную материю Вселенной.

                                                                                                                                                                А.П. Леляков

Сообщения о результатах исследований:

                  Открытие ускоряющейся Вселенной, сделанное в конце 90-х годов прошлого века, произвело революцию в космологии, указав на наличие во Вселенной качественно нового источника (компонента), который доминировал в расширении в последние несколько миллиардов лет. Природа тёмной энергии — источника, вызывающего ускоренное расширение, — неизвестна, и понимание ее свойств и происхождения является одной из основных задач современной физики.

                  К настоящему времени исследователями предложено большое количество моделей, которые пытаются объяснить ускоренное расширение Вселенной (различные модели тёмной энергии (ТЭ)). Эти модели можно разделить на две группы. К первой группе относятся модели ТЭ, связанные с «жидкостью», способной ускорять Вселенную. Среди таких моделей можно выделить: модели с постоянным уравнением состояния ТЭ, к ним, например, относится модель LCDM, которая в настоящее время считается стандартной теоретической основой для истории расширения Вселенной и формирования космической структуры; модели с параметризацией, в которых ТЭ связана с красным смещением z посредством параметризации w(z); модели, связанные с газом Чаплыгина и его обобщениями; модели, в которых ускоренное расширение Вселенной связывается с диссипативными эффектами в компонентах Вселенной (вязкие модели); модель эмерджентной ТЭ, идея которой состоит в том, чтобы феноменологически предложить функцию, имитирующую эволюцию параметра плотности темной энергии.

                  Вторую группу составляют модели, в которых модифицированы уравнения общей теории относительности (ОТО). К этой группе относятся: модели, в которых четырехмерное многообразие (наша Вселенная), называемое браной, погружено в пятимерное пространство-время Анти-д'Ситтера; унимодулярная гравитация; модели Эйнштейна-Гаусса-Бонне; модели Кардассиана.

                  Приведенный список моделей демонстрирует многообразие подходов и значительные усилия исследователей, которые предпринимаются для понимания природы тёмной энергии. Несмотря на внушительный список предложенных моделей, все они стремятся описать ТЭ только феноменологически, т.е., не предполагают микроскопической структуры ТЭ (микроскопических источников ТЭ). Хотя предположение о наличии микроскопической структуры ТЭ может быть важным, поскольку, принципиально дает возможность связать тёмную энергию со второй крупнейшей компонентой Вселенной – тёмной материей (ТМ). Поэтому важен поиск многочастичных физических систем, в которых особенности гравитационного взаимодействия между элементами системы могут быть источником ускоренного расширения Вселенной.

                 По результатам наших исследований, которые опубликованы в одном из ведущих научных журналов, специализирующимся в области физики космоса: «Classical and Quantum Gravity» (Q1), такой системой может быть газ тонких трубок безмассового скалярного поля. Ссылка: Alexander Lelyakov and Stepan Lelyakov Thin tubes of a massless scalar field as a possible source of dark energy, 2024 Class. Quantum Grav. 41 025009 DOI 10.1088/1361-6382/ad1710

                 Проведенное исследование показало, что уравнение состояния такого газа существенно зависит от степени разреженности (концентрации). Так, например, для случая сверхсжатого газа, его уравнение состояния стремится к равенству p = ρ, где p – давление, а ρ – плотность распределения материи. Если же газ сильно разрежен, то его уравнение состояния стремится к равенству p = -ρ. Таким образом, расширяясь, газ тонких трубок безмассового скалярного поля должен последовательно пройти все состояния от p ≈ ρ и до p → -ρ. Физически, это означает, что чем более разреженным становится такой газ, тем с большим ускорением он будет расширяться.

                                                                                                                                                                А.П. Леляков