Site Loader

Содержание

Лев Ландау | Политех (Политехнический музей)

Место рождения: Баку

Деятельность и интересы: квантовая механика, физика твердого тела, магнетизм, физика низких температур, физика космических лучей, гидродинамика, квантовая теория поля, физика атомного ядра и физика элементарных частиц, физика плазмы

Биография
Выдающийся советский физик-теоретик, лауреат Нобелевской премии по физике (1962), ученик Нильса Бора, одна из ключевых фигур в московском Институте физических проблем П.Л. Капицы. Создатель крупной школы теоретической физики: среди многочисленных учеников Ландау — советские физики, сыгравшие важную роль в развитии наук.
Научные интересы Ландау, как и многих физиков-теоретиков, были очень обширны. Среди областей, в то или иное время его занимавших, — физика твердого тела, магнетизм, физика космических лучей, физика низких температур, гидродинамика, квантовая механика, квантовая теория поля, физика атомного ядра, физика элементарных частиц и физика плазмы.

Первые работы Ландау были посвящены квантовой механике. Он стал одним из создателей статистической теории ядра. Одной из важных областей исследований Ландау была термодинамика фазовых переходов 2−го рода. Совместно с В.Л. Гинзбургом разработал полуфеноменологическую теорию сверхпроводимости. Ландау — автор теории сверхтекучести жидкого гелия-II, положившей начало физике квантовых жидкостей; за эту работу в 1962 году получил Нобелевскую премию («за пионерские работы в области теории конденсированных сред, в особенности жидкого гелия»).
Награжден тремя орденами Ленина, лауреат Ленинской премии (1962), трижды лауреат Сталинской (Государственной) премии, член многих зарубежных академий наук и научных обществ.

Образование, степени и звания
1946, Академия наук СССР: академик
1916−1920, Еврейская гимназия, Азербайджан, Баку: выпускник
1920−1922, Бакинский экономический техникум, Азербайджан, Баку
1922−1924, Бакинский университет, Азербайджан, Баку; Факультеты: физико-математический, химический: переведен в Ленинградский государственный университет
1924−1927, Ленинградский государственный университет, Санкт-Петербург; Факультет: физико-математический
1926−1929, Ленинградский физико-технический институт: аспирант
1929−1931, Европейская научная командировка (Берлин, Гёттинген, Лейпциг, Копенгаген, Кембридж, Цюрих), в том числе Институт теоретической физики Университета Копенгагена

1931−1932, Ленинградский физико-технический институт
1932−1937, Украинский физико-технический институт, Харьков: доктор физико-математических наук (без защиты диссертации)

Работа
1927−1929, Ленинградский физико-технический институт
1932−1937, Украинский физико-технический институт, Харьков: глава теоретического отдела
1933−1937, Харьковский механико-машиностроительный институт (ныне Харьковский политехнический институт): заведующий кафедрой теоретической физики
1935−1937, Харьковский государственный университет: заведующий кафедрой общей физики

1937−1962, Институт физических проблем АН СССР, Москва: руководитель теоретического отдела
1943−1947, Московский государственный университет: преподаватель кафедры физики низких температур
1947−1950, Московский физико-технический институт: преподаватель кафедры общей физики

Дом
1916−1924, Азербайджан, Баку
1924−1929, Ленинград
1929−1930, Дания, Копенгаген
1932−1937, Харьков
1937−1941, Москва
1941−1943, Казань
1943−1968, Москва

Факты из жизни
• Родился в семье инженера-нефтяника и гимназической преподавательницы естествознания.


• Говорил о себе: «Интегрировать научился лет в тринадцать, а дифференцировать умел всегда».
• Спустя много лет гимназический учитель признался Ландау, что, преподавая ему математику, смертельно его боялся.
• Математические расчеты производил в уме, не пользуясь ни логарифмической линейкой, ни таблицами логарифмов, ни справочниками.
• Поступил в Бакинский университет в 14 лет.
• Друзья и близкие звали его «Дау».
• Единственным своим учителем считал Нильса Бора, у которого стажировался в 1929−1930 годах.
• После публикации работы Ландау о диамагнетизме английский физик-теоретик Рудольф Пайерлс, один из пионеров современных представлений о магнетизме, сказал: «Надо смотреть правде в лицо: все мы питаемся крошками со стола Ландау».
• В харьковском Украинском физико-техническом институте на кабинете Ландау была прибита табличка «Л.Д. Ландау. Осторожно, кусается!».
• В детстве дал зарок не курить, не пить и не жениться, однако с 1934 года жил в гражданском браке с Конкордией (Корой) Дробанцевой, на которой впоследствии женился. С женой заключил «брачный пакт о ненападении», подразумевавший свободу личной жизни супругов на стороне.
• В 1934 году создал «теоретический минимум Ландау» — систему экзаменов по теоретической физике, которые необходимо было сдать, чтобы считаться учеником Ландау: два экзамена по математике, механика, теория поля, квантовая механика, статистическая физика, механика сплошных сред, электродинамика сплошных сред и квантовая электродинамика.
• В 1938 году отредактировал антисталинскую листовку, был арестован НКВД и год провел в тюрьме. Вышел на свободу благодаря ходатайству Нильса Бора и поддержке Капицы, который взял Ландау «на поруки». После освобождения и до конца жизни работал у Капицы в ИФП.
• В 1955 году подписал «Письмо трехсот».
• Разработал теорию счастья, которая гласила, что человек обязан быть счастливым. Формула счастья по Ландау содержала три параметра: работа, любовь и общение с людьми.
• По воспоминаниям Коры Дробанцевой, любимая присказка Ландау: «Я не такая, я иная, я вся из блесток и минут».

• Величайшим грехом на свете полагал скуку.
• На пятидесятилетие коллеги и студенты подарили Ландау медаль с его профилем и одной из любимых его фраз: «Ot duraca slychu».
• Попал в автокатастрофу 7 января 1962 года, и в спасении его жизни принимали участие физики всего мира.
• 10 декабря 1962 года Ландау была вручена медаль Нобелевского лауреата. Это было первое в истории награждение Нобелевской премией, проходившее в больнице.
• После автокатастрофы Ландау фактически оставил научную деятельность, в течение шести лет постепенно приходил в норму, однако в 1968 году внезапно умер от тромбоза после операции.
• По своему складу более всех деятелей советской науки соответствовал классическому образу «безумного ученого».
• После смерти Ландау его родственники, коллеги и ученики публиковали многочисленные воспоминания, в которых единодушно признавали гениальность Дау, однако жарко полемизировали друг с другом касательно своей значимости в его жизни. Это предсказуемо замутнило биографию ученого и отчасти вульгаризировало память о нем. Между тем сам Ландау говорил: «Бойтесь странностей. Все хорошее просто и понятно, а где странности, там всегда скрыта какая-то муть».
• Последние слова Ландау: «Мне всегда всё удавалось».
• В честь Ландау назван астероид 2142, кратер на Луне, минерал ландауит, а также Институт теоретической физики в Черноголовке, в 1964 году основанный учеником Ландау И.М. Халатниковым.

Открытия
• В 1927 году ввел понятие «матрицы плотности», применяемое в квантовой механике и статистической физике.
• В 1930 году создал квантовую теорию диамагнетизма электронов (диамагнетизма Ландау).
• В 1937 году построил теорию фазовых переходов 2-го рода (переходах, при которых состояние тела меняется непрерывно, а симметрия — скачкообразно; при фазовых переходах 2-го рода не меняется плотность тела и не происходит выделения или поглощения теплоты).

• В 1935 году вместе с Е.М. Лифшицем рассчитал доменную структуру ферромагнетика и доказал, что границы между доменами ферромагнетика — узкие слои, в которых направление намагниченности меняется непрерывно и постепенно.
• В конце 1930-х построил теорию промежуточного состояния сверхпроводников: вывел формулу расчета толщины чередующихся сверхпроводящих и нормальных слоев в промежуточном состоянии сверхпроводника, помещенного в электромагнитное поле.
• В 1937 году получил соотношение между плотностью уровней в ядре и энергией возбуждения и стал одним из создателей статистической теории ядра.
• В 1940−1941 гг., исходя из законов квантовой механики, создал теорию сверхтекучести жидкого гелия-II, в 1938 году открытого П.Л. Капицей. Из теории Ландау вырос новый раздел науки — физика квантовых жидкостей, а Ландау в 1962 году получил Нобелевскую премию «за пионерские работы в области теории конденсированных сред, в особенности жидкого гелия».
• В 1948 — 1959 годах совместно с Л.М. Пятигорским (т. 1) и Е.М. Лифшицем (тт. 2 — 8) создал классический цикл учебников «Курс теоретической физики».
• В 1946 году создал теорию колебаний электронной плазмы («затухание Ландау» — бесстолкновительное затухание волн в плазме).

• В 1950 году совместно с В.Л. Гинзбургом создал полуфеноменологическую теорию сверхпроводимости (теория Гинзбурга — Ландау).
• В 1956 году работал над широко применяющейся ныне теорией Ферми-жидкости — квантовомеханической жидкости, состоящей из фермионов в определенных физических условиях.
• В 1957 году предложил принцип комбинированной четности: все физические системы будут эквивалентными, если при замене «правой» системы координат на «левую» все частицы заменить античастицами.

Формулы для решения задач по физике


п/п
Наименование параметраФормулаОбозначения
4.1Закон Био-Савара-Лапласа

Модуль вектора

Модуль вектора


― магнитная индукция поля, создаваемого элементом проводника с током; μ ― магнитная проницаемость среды, μ0 = 4π∙10−7 Гн/м ― магнитная постоянная, ― вектор, равный по модулю длине dl проводника и совпадающий по направлению с током; I ― сила тока в проводнике, ― расстояние до проводника
α ― угол между векторами и
― напряженность магнитного поля, создаваемого элементом проводника с током
4. 2Индукция магнитного поля, создаваемого бесконечно длинным прямым проводником с током
Напряженность магнитного поля


вывод формул

μ ― магнитная проницаемость среды, μ0 = 4π∙10−7 Гн/м ― магнитная постоянная, I ― сила тока в проводнике, a ― расстояние до проводника
4.3Индукция магнитного поля в центре кругового проводника с током
Напряженность магнитного поля

μ ― магнитная проницаемость среды, μ0 = 4π∙10−7 Гн/м ― магнитная постоянная, I ― сила тока в проводнике, R ― радиус проводника
4.4Индукция магнитного поля на оси кругового проводника с током
Напряженность магнитного поля


вывод формул
μ ― магнитная проницаемость среды, μ0 = 4π∙10−7 Гн/м ― магнитная постоянная, I ― сила тока в проводнике, R ― радиус проводника, a ― расстояние до плоскости проводника
4.5Индукция магнитного поля внутри длинного соленоидаμ ― магнитная проницаемость среды, μ0 = 4π∙10−7 Гн/м ― магнитная постоянная, I ― сила тока в проводнике, N ― количество витков, l ― длина соленоида
4. 6Магнитная индукция поля, создаваемая отрезком проводника
вывод формулы
μ ― магнитная проницаемость среды, μ0 = 4π∙10−7 Гн/м ― магнитная постоянная, a ― расстояние до оси проводника, α1 и α2 ― углы между направлением тока и направлением на точку, в которой создано магнитное поле, вершинами которых являются соответственно начало и конец прямого участка проводника
4.7Связь между напряженностью H и индукцией B магнитного поляμ ― магнитная проницаемость среды, μ0 = 4π∙10−7 Гн/м ― магнитная постоянная
4.8Связь между электрической и магнитной напряженностями волныЕ0 ― амплитуда электрической напряженности, H0 ― амплитуда магнитной напряженности
4.9Фазовая скорость волны v равнас ― скорость света в вакууме; ε ― диэлектрическая проницаемость; μ ― магнитная проницаемость
4. 10Индуктивность катушки равнаμ0 = 4π∙10−7 Гн/м ― магнитная постоянная; N ― количество витков; N = l/d, d ― диаметр проводника катушки; l ― длина катушки; V ― объем катушки; S ― площадь витка катушки
4.11Средняя объемная плотность энергииμ0 = 4π∙10−7 Гн/м ― магнитная постоянная; μ ― магнитная проницаемость среды; для вакуума μ = 1; Н ― действующее значение напряженности магнитного поля
4.12Средняя объемная плотность энергииε0 = 8,85∙10−12 Ф/м ― электрическая постоянная, ε ― диэлектрическая проницаемость среды, E ― действующее значение напряженности электрического поля
4.13Сила , действующая на заряд Q, движущийся со скоростью в магнитном поле с индукцией (сила Лоренца)
или
α ― угол, образованный вектором скорости движения частицы и вектором индукции магнитного поля
4. 14Cила Ампера (сила, действующая на проводник с током в магнитном поле)
I ― сила тока, l ― длина проводника, В ― индукция магнитного поля, α ― угол между векторами
4.15Количество заряда, протекающее в контуре
вывод формулы
ΔΨ ― изменение потокосцепления контура; R ― сопротивление контура; N ― количество витков в контуре; ΔФ ― изменение магнитного потока, пронизывающего контур; S ― площадь витка; ΔB ― изменение магнитной индукции
4.16Циклическая частота колебаний в контуреL ― индуктивность контура; C ― емкость контура
4.17Мгновенное значение I силы тока в цепи, обладающей активным сопротивлением R и индуктивностью L, после размыкания цепиI0 ― значение силы тока в цепи при t = 0; t ― время, прошедшее с момента размыкания цепи
4.18Мгновенное значение I силы тока в цепи, обладающей активным сопротивлением R и индуктивностью L, после замыкания цепиε ― э. д.с. источника тока; t ― время, прошедшее с момента замыкания цепи
4.19Основной закон электромагнитной индукцииεi ― электродвижущая сила индукции; N ― число витков контура; Ψ ― потокосцепление
4.20Величина ЭДС самоиндукции пропорциональна скорости изменения силы тока I:L ― индуктивность контура или катушки
4.21Работа по перемещению проводника или по повороту контура в магнитном полеI ― сила тока в проводнике, контуре; dФ ― пересекаемый проводником магнитный поток либо изменение магнитного потока через замкнутый контур
4.22Вращающий момент, действующий на контур с током, помещенный в магнитное поле

Значение вращающего момента


При α=π/2 имеем

При α=0 или α=π имеем

― индукция магнитного поля; m ― магнитный момент контура, m = IS, где I ― ток, протекающий по контуру, S ― площадь контура;
α ― угол между векторами m и

“Только физики в принципе понимают, как устроена Вселенная”.

Профессор о прорывах в энергетике, школьном образовании, частице Бога и антигравитации. — Краевой фонд науки

14 февраля 2022

Поделиться

Телепортация и тем более путешествия во времени, по мнению физиков, — не более чем пустые фантазии. Однако есть множество других, уже вполне реальных проектов, способных в обозримом будущем качественно улучшить жизнь человечества. О них, а также о надеждах и разочарованиях, достижениях и тревогах, напрямую связанных с одной из самых фундаментальных научных дисциплин, мы поговорили с профессором, доктором физико-математических наук, руководителем научного направления Института физики СО РАН Сергеем Овчинниковым.

Угрозы нет

— Предлагаю начать наш разговор с такой нерадужной темы, как угрозы и тревоги, которые могут нести эксперименты физиков. Например, перед запуском большого адронного коллайдера сомнения в его безопасности высказывал Стивен Хокинг. Была версия, что эксперимент породит чёрные дыры, которые поглотят Солнечную систему… А сейчас Китай строит новый коллайдер, и он ещё больше!
— Я хорошо понимаю все опасения, но хочу успокоить: экспериментальные возможности современных учёных не настолько мощны, чтобы нанести значительный ущерб даже в масштабах планеты, а не то, что Солнечной системы или Вселенной в целом.

В настоящий момент самая большая мощность, которой располагает человечество, это водородная бомба, применение которой в качестве оружия, безусловно, недопустимо. Но во время испытаний в 1961 году на Новой Земле взрывная волна, обежав вокруг земли несколько раз, никаких планетарных катаклизмов за собой не повлекла. Всё устояло. Да, была радиоактивная пыль, но потом и она рассеялась. Вреда всей планете деятельность человека пока принести не может. Если только не начнётся глобальная ядерная война, одним из последствий которой может стать ядерная зима. А опыты учёных-физиков опасности точно не представляют.

— Но каждый новый громкий проект всё равно вызывает подчас неоднозначную реакцию. Интересно, в какой сфере в настоящее время проводятся самые передовые исследования?
— Сейчас самый крупный проект в области физики — это международный ядерный реактор ИТЭР, который станет прототипом электростанции будущего. Сооружают его во Франции уже на протяжении десяти лет. Запустить планируют в следующем году. И это опять же не несёт никаких угроз, но зато открывает перед человечеством новые возможности.

Сейчас все говорят про зелёную энергетику, про вредные выхлопы от угля, мазута и даже газа, про переход на экологически чистые источники. Всё правильно, вот только одними ветряками, солнечными батареями и биотопливом не обогреешься, и нынешней зимой это наглядно подтвердила Европа. К тому же современная зелёная энергетика на поверку не такая уж экологичная. Например, чтобы установить солнечные батареи, нужно сделать полупроводниковые пластины. Их производство (далеко не безвредное) размещается в Индии и других неевропейских странах. То есть солнечная энергия тоже грязная, просто не для Европы.

А вот термоядерный синтез действительно настоящий прорыв. Фактически учёные пытаются в земных условиях воспроизвести Солнце или любую другую звезду, которая будет гореть в реакторе электростанции. При этом в отличие от атомной энергетики, в которой исходным топливом являются радиоактивные вещества, здесь будет использоваться… обычная вода. Потому что для реакции нужен только водород.

Безусловно, это большой шаг в будущее. Ведь, во-первых, не будет никаких проблем с топливом, потому что запасы воды у нас не ограничены. Во-вторых — отсутствие радиации, даже при авариях. И в-третьих — огромное количество энергии, способное удовлетворить потребности всей планеты.

— Об отсутствии проблем с топливом я бы поспорила. Да, у нас в Сибири достаточно пресной воды, но на всей планете уже чувствуется её дефицит. Это крайне ценный ресурс.
— Согласен, но дело в том, что этот реактор работает как раз на солёной морской воде, недостатка в которой у нас нет. Поэтому процесс управляемого термоядерного синтеза — это глобальное решение проблемы энергетики. Для всего человечества.

Есть чем гордиться

— Вы так увлечённо говорите о проекте ИТЭР, будто сами участвуете в нём.
— Напрямую нет, однако косвенно имею к нему отношение. Ведь та наука, которой я занимаюсь, — сверхпроводники, магнетизм — является принципиальным компонентом всей этой системы.

Дело в том, что водородная плазма, которая и даёт энергию при термоядерном синтезе, имеет огромную температуру, несколько миллионов градусов. И, соприкасаясь со стенками любой камеры — бетонной, стальной, да какой угодно, — она просто сожжёт их. Никакой реактор не выдержит. Однако советские физики ещё в пятидесятые годы прошлого века предложили создавать устройства, которые используют мощное магнитное поле для удержания плазмы, — токамаки.

— О чём-то подобном я читала в научной фантастике…
— На самом деле это реальность. Ещё начиная с пятидесятых годов в СССР и США велись работы по созданию таких устройств. Тогда поля были недостаточно сильные, поэтому плазма, которую они пытались удержать, тут же гасла. Сейчас мы подобрались вплотную к тому, чтобы реакция длилась достаточно долго и чтобы мы получали больше энергии, чем отдаём. Для этого нужны более сильные магниты нового типа. Создать их позволяют как раз те сверхпроводники, изучением которых мы занимаемся. Россия, к счастью, является в этой области одним из мировых лидеров. И именно наша страна выиграла конкурс на поставку сверхпроводящих магнитов для международного ядерного реактора ИТЭР. В тендере участвовали все ведущие государства мира, при этом российские технологии оказались лучшими. Тут есть чем гордиться!

Ломоносова не трогать!

— Знаете, немного обидно. Почему реактор будущего строят где-то во Франции, а не у нас?
— Проект ИТЭР — это ещё не электростанция. Промышленного производства энергии на этом реакторе не планируется, там будет вестись только отработка режима, а также оценка вероятных рисков. Скорее всего, эксперименты продлятся не менее 20 лет. А сами станции, основанные на термоядерном синтезе, начнут строить ориентировочно в 2050 году. Надеюсь, что мои внуки будут уже этим пользоваться.

— Вы сказали, что проект международный. А не влияет ли на его реализацию политика: санкции, ограничения? Или в научной среде нет такого?
— К счастью, ничего такого нет. Мы хорошо работаем друг с другом.

— Однако в интернете примерно с 2014 года чего только не говорят о российской и советской науке. Добрались даже до Ломоносова с Менделеевым, чьи достижения пытаются нивелировать. А в качестве гвоздевого аргумента приводят список нобелевских лауреатов, в котором наших соотечественников практически нет.
— Выдумки об учёных, на мой взгляд, сочиняют просто неумные люди. А что до нобелевских лауреатов… Неправда, что у нас их нет. В XXI веке премию по физике получили два россиянина: в 2000 году Жорес Алфёров, в 2003-м Виталий Гинзбург. А в 2010-м её присудили выходцам из России — Константину Новосёлову и Андрею Гейму. Правда, работают они в Великобритании. И данный факт как раз является одним из ответов на вопрос, почему лауреатов из нашей страны не так много. В девяностые на протяжении нескольких лет нам зарплату практически не платили. Было тяжелейшее время, когда многие учёные уехали за границу, где их принимали с распростёртыми объятиями.

Да и сегодня финансирование науки у нас в десятки раз меньше, чем в целом ряде стран.

— И тем не менее всё уже не так грустно, как в девяностые. Есть гранты, проекты, вот 2021-й был объявлен Годом науки. Интересно, на таком фоне появились желающие заниматься физикой?
— К сожалению, таких немного. Вот печальный факт: когда я поступал в вуз, у нас набор на первый курс физфака составлял 150 человек. А сейчас в СФУ норма — 26 студентов на поток, и то мы с трудом набираем.

Одна из главных причин такой ситуации — ЕГЭ. Математика является обязательной дисциплиной, а физика нет, и поэтому экзамен сдают единицы. Да и к преподаванию нашей науки в школах нередко относятся по остаточному принципу. А ведь от учителя очень многое зависит.

Могу привести свой собственный пример: как я увлёкся физикой. Мой папа был военным, и наша семья жила в ГДР. Однако учился я не в немецкой, а в советской школе, где по контракту работали учителя из СССР. Преподаватель физики была из Ленинграда. С первого урока она стала показывать нам, шестиклассникам, красивейшие опыты. У неё были колбы причудливой формы: в виде креста, звезды. В них она зажигала различные газы. Всё светилось, переливалось. Это настолько увлекало! И в итоге эти уроки определили мой жизненный выбор. Поэтому я считаю самыми важными первые годы обучения детей в школе.

Да, физика очень сложная наука, сложнее даже, чем математика или химия. Просто зубрёжкой или на одной логике её не постичь. Нужно, чтобы кто-то тебе помог понимать её интуитивно. И если учитель этого не сделает, то не увлечёт никто.

Коварный бозон Хиггса

— Но как же не увлечься физикой? Это же наука о мироздании!
— Вот в том-то и интерес. Я ощущаю себя творцом, демиургом. Потому что только физики в принципе понимают, как устроена Вселенная.

— Тогда вы сможете ответить, почему бозон Хиггса называют частицей Бога?
— Да это название журналисты придумали, ничего там такого нет…Она была давно предсказана, и её обнаружение подтвердило бы правильность современной единой теории поля. Собственно, физики уже приняли эту теорию и не особо в ней сомневались, но вот обнаружить бозон Хиггса никак не получалось. Поэтому его открытие вызвало некий ажиотаж.

Кстати, с бозоном Хиггса у меня произошёл один примечательный случай. Как-то я участвовал в передаче на краевом телеканале. Это цикл бесед с учёными. На одной из них как раз обсуждали бозон Хиггса. В студию пригласили меня и моего коллегу, профессора, доктора наук Садреева. Мы всё подробно обсудили, постарались рассказать доступно и интересно. А потом месяца через два Садрееву стал настойчиво звонить какой-то очень рассерженный мужчина. Оказалось, что это довольно преуспевающий предприниматель. Его сын как раз заканчивал школу, и папа был уверен, что юноша поступит на юридический, продолжит семейное дело, будет его преемником. А тот послушал нас и заявил: я пойду в физику. И папа был очень недоволен, что и высказал нам. Вот так бозоном Хиггса мы мальчика и увлекли!

— Да, ситуация с одной стороны анекдотичная, а с другой — печальная. Вот в моём детстве перед кино показывали киножурнал “Хочу всё знать”, было много книг об учёных, фильмов. А как ждали очередной выпуск передачи “Очевидное — невероятное”!
— Теперь, безусловно, нам этого не хватает. И чтобы как-то повысить интерес школьников к физике, я и сам давно участвую в агитации, и своих молодых коллег приглашаю. Да, понимаю, что не решу проблему в масштабах страны и даже в масштабах города Красноярска. Но надо же хоть что-то делать!

У нас в СФУ есть физматшкола для одарённых детей, в которой учатся ребята из разных регионов. Там я читаю курс лекций, посвящённый современным проблемам физики: и сверхпроводникам, и термояду. Иногда мы проводим для них демонстрации. Например, магнитной антигравитации, которую, кстати, уже применяют на практике. Есть опытные поезда, буквально висящие над рельсами на магнитной подушке. Они могут развивать скорость до 700 километров в час. На таких за полтора часа реально добраться до Новосибирска. То есть антигравитация уже не фантастика.

Будем в космосе

— Выходит, физика — основа современного прогресса. Хотя есть мнение, что сегодня нет мононауки, все направления смешиваются.
— Если говорить о той же медицине или биологии, то прогресс в этих науках в XX и XXI веках в немалой степени связан с теми приборами, что поставила именно физика. МРТ, КТ, УЗИ — все эти новые методы исследования стали доступны благодаря нам. Я такое проникновение физики в самые разные сферы деятельности наблюдаю в течение последних 30 лет.

— Но ваша наука помогает не только жизнь спасать, но и отнимать её. Причём в катастрофических масштабах. Например, атомные бомбы, которые военные сбрасывали на мирные города.
— Сбрасывали бомбы военные, а приказы отдавали политики. А на города кидали и не атомные бомбы, причём с тем же результатом. Пример — тот же Дрезден, который разрушили до основания обычными зарядами. Жертв среди мирного населения там было огромное количество.

— Ну а каково же учёному, который стал создателем жуткого оружия? Я читала, что Эйнштейн страшно переживал после атомных бомбардировок.
— И не только он. Сахаров, создатель водородной бомбы, когда увидел её испытания, пришёл в ужас. Не случайно он стал заниматься правозащитной деятельностью. К сожалению, так устроен наш мир, что государства финансируют в первую очередь военные разработки. Но потом, постепенно, эти технологии начинают внедряться в мирную жизнь, принося пользу людям. Как ракеты, которые изначально были частью оборонных заказов. А потом человек полетел в космос. Сейчас же готовится полёт на Марс.

— И вы верите в то, что человечество шагнёт в космос, начнёт осваивать другие планеты?
— Конечно, верю. Космос мы обязательно освоим, пусть и не скоро.

Досье

Сергей Геннадьевич ОВЧИННИКОВ
Доктор физико-математических наук, профессор, руководитель научного направления “Магнетизм”, заведующий лабораторией Института физики СО РАН, завкафедрой СФУ, председатель наблюдательного совета Красноярского краевого фонда науки.
Год и место рождения: 1950 год, Петропавловск-Камчатский.
Карьера: 1972 — окончил физический факультет Красноярского государственного университета, специальность “физика”, квалификация “физик”.
1978 — кандидат физико-математических наук, физика твёрдого тела, “Электронные фазовые переходы в соединениях переходных металлов”, Институт физики им. Л. В. Киренского СО РАН.
1984 — доктор физико-математических наук, физика твёрдого тела, “Теория перехода металл-диэлектрик в магнитоупорядоченных веществах”, Институт физики им. Л. В. Киренского СО РАН.
1990 — присвоено учёное звание профессора по кафедре теоретической физики.
2007 — присвоено почётное звание “Заслуженный деятель науки РФ” (это почётное звание получают граждане Российской Федерации за высокое профессиональное мастерство и многолетний добросовестный труд).
2009 — лауреат премии оргкомитета международной конференции по сверхпроводимости в Пекине за лучшую работу, доложенную на конференции.
2021 — лауреат общенациональной премии Российского профессорского собрания “Профессор года”.

Преподаваемые дисциплины: “Современные проблемы квантовой теории магнетизма”, “Избранные главы теории конденсированного состояния”.

Научные интересы: высокотемпературная сверхпроводимость, экспериментальные и теоретические исследования электронных и магнитных свойств систем с сильными электронными корреляциями, структура и свойства магнитных наноматериалов, электронная структура биомолекул.

Источник: Городские новости
Фотографии: архив Института физики ФИЦ КНЦ СО РАН

Теория магнетизма блуждающих электронов: Physics Today: Vol 55, No 6

Теория блуждающего электронного магнетизма , Юрген Кюблер Oxford U. Press, Нью-Йорк, 2000. 120 долларов США (427 стр.). ISBN 0-19-850028-9

Невероятное разнообразие изоляторов, проводники и сверхпроводники, как известно, проявляют магнитное поведение, что делает магнетизм одним из наиболее важных разделов физики конденсированного состояния. Важность магнетизма также усиливается множеством технологических приложений. Магнитные материалы находят свое место в нашей повседневной жизни в качестве постоянных магнитов в двигателях, трансформаторах, носителях информации в компьютерах, кассетах, переключателях и многих других устройствах.

За последние 15 лет область магнетизма взорвалась новыми захватывающими открытиями. К ним относятся новые магнитные полупроводники, новые магнитные сверхпроводники, колоссальное магнитосопротивление (CMR) эффект в оксидах марганца и гигантское магнитосопротивление (GMR) и туннелирование магнитосопротивление (ПМР) эффекты в магнитных мультислоях в нанометровом масштабе.Более того, магнитные материалы играют жизненно важную роль в новой области спинтроники и вполне могут сыграть важную роль в квантовых компьютерах — если такие устройства когда-либо будут созданы.

Теория блуждающего электронного магнетизма Юргена Кюблера является уникальным вкладом в изучение магнетизма, поскольку она пытается описать значительную часть поля с использованием приближения функционала локальной плотности (LDA). Автор концентрируется на системах с блуждающими электронами и подчеркивает важность электронной структуры для понимания магнитных свойств реальных материалов.Кроме того, Кюблер предупреждает читателя, что LDA не соответствует картине независимых частиц; он выступает за широкое использование компьютеров для решения проблемы многих электронов в LDA. Однако он очень ясно дает понять, что программы LDA, работающие даже на самых эффективных компьютерах, не являются ответом на все вопросы магнетизма, особенно те, которые имеют дело с сильно коррелированными электронными системами, для которых на самом деле не существует контролируемой общей теории.

Кюблер прекрасно описывает LDA и устанавливает связи между электронной структурой нескольких материалов и их магнитными свойствами.Тем не менее его книга не является и не должна была стать трактатом по всем аспектам магнетизма. Она занимает свое место среди многих книг на эту тему. Целевая аудитория Теория странствующего электронного магнетизма предназначена для аспирантов и исследователей, занимающихся исследованиями в области фундаментального и прикладного магнетизма. Книга будет полезна многим исследователям, теоретикам и экспериментаторам. Однако это кажется слишком длинным для продвинутого выпускника. учебник по теории магнетизма.

Части книги, вероятно, хорошо подходят для изучения магнетизма в выпускных классах по специальной теме, но студентам, возможно, придется сначала прочитать (или параллельно) более широкие обсуждения магнетизма. В частности, Теория магнетизма Ки Йосиды (Springer-Verlag, 1996) включает обсуждение не только блуждающих магнитных систем, но и магнетизма в локализованных спиновых системах и в разбавленных сплавах. Кроме того, более короткие монографии «Спиновые флуктуации в блуждающем электронном магнетизме » Тору Мория (Springer-Verlag, 1985) и Квантовая теория магнетизма , Роберт М.Уайт (Springer-Verlag, 1970, 1983) может предложить несколько альтернативных взглядов на состояние этой области — по крайней мере, до начала 1980-х гг.

Теория странствующего электронного магнетизма содержит очень четкие презентации некоторых важных аспектов магнетизма 1990-х годов. Обсуждение полуметаллических ферромагнетиков и ГМС эффект в магнитных мультислоях очень показательны. Более поздние разработки, такие как TMR, CMR и магнитные квантовые фазовые переходы не включены.Однако по мере развития этих новых областей исследований читатели могут ожидать, что эти темы появятся в более поздних изданиях.

Подводя итог, Теория странствующего электронного магнетизма Юргена Кюблера — очень хорошая книга для исследователей, занимающихся фундаментальным и прикладным магнетизмом. Он предлагает личный и целенаправленный взгляд на блуждающий магнетизм на основе LDA от ведущего эксперта в этой области и подробно описывает взаимосвязь между электронной структурой и магнитными свойствами блуждающих электронов в реалистичных системах.

  1. © 2002 Американский институт физики.

Свежий расчет магнетизма малоизвестных частиц может омрачить надежды на новую физику | Наука

Говорите о дожде на параде ваших коллег. 7 апреля группа из более чем 200 экспериментаторов с большой помпой объявила, что частица, называемая мюоном, немного более магнитна, чем предсказывает стандартная модель физиков, и это несоответствие может сигнализировать о новых частицах, ожидающих своего открытия.Но в тот же день 14 теоретиков опубликовали статью, в которой говорится, что консенсусное теоретическое предсказание неверно. Их значение находится ближе к экспериментальному результату, и соблазнительное несоответствие почти исчезает.

«Согласно нашим расчетам, стандартная модель просто идеальна», — говорит Золтан Фодор, теоретик из Пенсильванского государственного университета, Юниверсити-Парк и лидер коллаборации Будапешт-Марсель-Вупперталь (BMW), которая подготовила новую теоретическую модель. результат. Однако другие говорят, что еще слишком рано отказываться от предыдущего расчета, который является результатом десятилетий кропотливых усилий.«Мы не можем сразу игнорировать все, что знаем, и переключиться на один новый результат нового метода», — говорит Кристоф Ленер, теоретик из Регенсбургского университета.

Более тяжелый и нестабильный кузен электрона, мюон действует как крошечный стержневой магнит, а его магнетизм позволяет выискивать следы новых частиц. Квантовая механика и теория относительности требуют, чтобы мюон обладал определенным основным магнетизмом. Благодаря квантовой неопределенности частицы и античастицы также постоянно появляются и исчезают вокруг мюона.Эти «виртуальные» частицы нельзя наблюдать напрямую, но они могут влиять на свойства мюона, включая магнетизм. Частицы стандартной модели должны увеличить свой магнетизм примерно на 0,1%, а пока еще неизвестные частицы добавят свой собственный импульс. Такие частицы когда-нибудь могут быть взорваны атомным ускорителем.

Вот почему физики были так взволнованы, когда эксперимент Muon g-2 в Национальной ускорительной лаборатории Ферми подтвердил намек 20-летней давности о том, что магнитность мюона примерно на 2,5 части на миллиард больше, чем предсказывает стандартная модель, согласно консенсусному значению. , разработанная в прошлом году Инициативой теории Muon g-2, состоящей из 132 участников.

Чтобы сделать это предсказание, теоретики должны были учесть тысячи способов, которыми частицы стандартной модели могут порхать вокруг мюона и влиять на его поведение. Одно семейство процессов, известное как адронная поляризация вакуума, особенно сложно и ограничивает точность всего расчета. В нем мюон испускает и повторно поглощает частицы, известные как адроны, которые состоят из других частиц, называемых кварками. Теория кварков и сильного ядерного взаимодействия, которое их связывает, квантовая хромодинамика (КХД), настолько громоздка, что теоретики не могут вычислить эффекты с помощью обычного ряда все более мелких приближений.Вместо этого им приходится полагаться на данные ускорителей, создающих адроны путем столкновения электронов и позитронов.

Не обращайте внимания на пробел?

Если новое значение «решетки» для магнетизма мюона верно, таинственный разрыв между другими предсказаниями и недавними измерениями практически исчезнет. ДАННЫЕ: ABI ET AL., PHYS. РЕВ. ПУСТЬ. , 2021; BORSANYI ET AL., NATURE DOI: 10.1038/S41586-021-03418-1; BLUM ET AL., PHYS.РЕВ. ПУСТЬ. , 121, 2018; AOYAMA ET AL., PHYSICS REPORTS , 2020

Однако есть и другой способ. Теоретики могут попытаться вычислить КХД методом грубой силы на суперкомпьютерах, если они смоделируют континуум пространства и времени как решетку дискретных точек, занятых кварками и частицами, называемыми глюонами, которые передают сильное взаимодействие. Двенадцать лет назад теоретики показали, что с помощью этого метода «решеточной КХД» можно вычислить массы протона и нейтрона, которые являются адронами. Несколько групп также применили решетку к магнетизму мюона, хотя и со значительной неопределенностью.

Теперь, используя сотни миллионов процессоро-часов в Исследовательском центре Юлиха в Германии, группа Фодора произвела расчет решетки адронной поляризации вакуума и значение магнетизма мюона, которое конкурирует по точности со значением согласованной стандартной модели. И новый результат всего на одну часть на миллиард ниже экспериментального значения, сообщила команда в Nature. По словам Фодора, учитывая неопределенность, это слишком близко, чтобы заявлять о несоответствии.

Он также поднимает вопросы о значении консенсуса.По словам Фодора, ключевые данные зависят в основном от результатов двух коллайдеров, и эти два набора данных в тревожной степени расходятся. Результат его команды свободен от таких неопределенностей. «Это единственное вычисление на рынке, поэтому некоторым людям неудобно», — говорит он.

Тем не менее, некоторые теоретики говорят, что еще слишком рано придавать такое большое значение расчету одной решетки. Аида Эль-Хадра, теоретик решетки из Университета Иллинойса, Урбана-Шампейн, и вместе с Ленером, соруководитель и руководитель Инициативы по теории мюона g-2, отмечает, что неопределенность в значении консенсуса отражает в основном ограниченная точность входных данных.Напротив, неопределенность в значении решетки отражает надежность самого метода и труднее поддается количественной оценке и интерпретации, говорит Эль-Хадра. «Смысл ошибок очень разный, — говорит она.

Кроме того, в 2018 году Ленер и его коллеги провели анализ, сочетающий данные ускорителя и расчет решетки с более низкой точностью. Их гибридная оценка магнетизма мюона хорошо согласуется с общепринятым прогнозом, говорит Ленер.

«Результат BMW должен быть подтвержден другими независимыми расчетами решетки», — говорит Алексей Петров, теоретик из Университета Уэйна.Эти высокоточные расчеты должны появиться в течение года. Но если результаты решеток согласуются друг с другом, но не с подходом, основанным на данных, то теоретикам все равно придется выяснить, почему эти два метода расходятся, говорит Петров.

До тех пор было бы преждевременно говорить, что мучительная тайна, поднятая измерениями g-2, раскрыта, говорит Эль-Хадра. «Расчеты стандартной модели надежны», — настаивает она. То же самое и с экспериментальным значением. И, насколько известно физикам, они разные.

Национальная лаборатория сильного магнитного поля

Национальная лаборатория сильного магнитного поля

Вид на Национальную лабораторию сильных магнитных полей

Национальная лаборатория сильного магнитного поля (NHMFL) была награждена Университетом штата Флорида в результате рецензируемого конкурса в августе 1990 года. Лаборатория управляется межучрежденческим консорциумом, в который входят Университет штата Флорида, Университет Флориды и Национальная лаборатория Лос-Аламоса. .Он финансируется Национальным научным фондом и штатом Флорида.

NHMFL имеет прочные связи с факультетом физики бывшего Советского Союза. Он поддерживает аспирантов-физиков, желающих продолжить исследования в области конденсированных сред, представляющих интерес для лаборатории. Несколько профессоров физического факультета связаны с NHMFL (см. список ниже).

NHMFL — одно из новейших национальных учреждений страны, предназначенное для всех квалифицированных пользователей из других академических учреждений, национальных лабораторий и промышленности.В качестве объекта для международных пользователей он выполняет следующие функции:

  • Разрабатывает и поддерживает исследовательские центры, открытые для всех квалифицированных пользователей, и поддерживает исследования, связанные с магнитами, в биологии, биомедицине, химии, инженерии, геохимии, материаловедении и физике;
  • Устанавливает мощную и активную внутреннюю исследовательскую программу в партнерстве с внешними пользователями, которая использует и расширяет возможности и способствует развитию новых рубежей в науке и технике;
  • В партнерстве с частным сектором учреждает программу науки и технологии магнитов, которая совершенствует технологии магнитов и магнитных материалов и продвигает U.С. конкурентоспособность; и
  • Развивает образовательные возможности в рамках приоритетных областей лаборатории, которые отвечают национальным интересам общественности в области науки и техники, а также способствуют привлечению и участию докторантов и студентов в программах магистратуры, бакалавриата и K-12.

 

NHMFL — единственная в своем роде лаборатория в Западном полушарии и одна из дюжины подобных лабораторий в мире. В нем работает команда из более чем 400 сотрудников, в том числе более 120 кандидатов наук.D. ученые и профессиональные инженеры. Это также крупнейшая в мире лаборатория магнитного поля площадью 330 000 квадратных футов и мощное оборудование с чрезвычайно тихим источником питания мощностью 40 МВт. В NHMFL установлены одни из самых мощных магнитов в мире, которые были разработаны и усовершенствованы собственной инженерной группой. Магнитные системы с непрерывным полем, доступные пользователям, включают резистивные, сверхпроводящие и гибридные магниты. Резистивные магниты с полем до 33,1 ± 0,2 Тесла (или 36,1 Тесла с использованием полюсных наконечников гольмиевого концентратора потока) доступны с диаметром отверстия 32 мм, магниты ЯМР с высокой однородностью до 24.6 тесла (~ 1 ГГц) и магниты импульсного поля до 63,3 тесла в импульсах 10 мс (все это текущие мировые рекорды, хотя мы продолжаем бить их с новыми достижениями в области дизайна!) Работа продолжается над гибридным непрерывным магнитом 45 тесла, который должен появиться на линии следующим летом. Кроме того, различные сверхпроводящие магниты поддерживают исследования в области конденсированных сред и магнитного резонанса.

Лаборатория имеет сильную и активную исследовательскую программу в области физики конденсированных сред, как в теории, так и в эксперименте, и возглавляется главным научным сотрудником NHMFL и лауреатом Нобелевской премии Дж.Роберт Шриффер. Штатные преподаватели, докторанты и аспиранты коллективно исследуют высокотемпературную сверхпроводимость, органические проводники, тяжелые фермионы, квантовый эффект Холла, переходы металл-изолятор, магнитные сверхрешетки и колоссальное магнитосопротивление.

Теоретическая физика конденсированного состояния Факультет:
Николас Бонестил
Владимир Добросавлевич
Пер Арне Рикволд
Педро У. Дж. Шлотманн
Оскар Вафек
Кун Янг

Конденсированная экспериментальная физика факультет:
Boebinger, Gregory
CAO, Jianming
Hiorescu, Irinel
Wiebe, Christopher
Конденсированная экспериментальная физика Аспирантура Исследовательский факультет:
Balicas, Luis
Brunel, Louis Claude
Engel, Ллойд
Кунс, Филип
Попович, Драгана
Рейес, Арнейл
Смирнов Дмитрий
Суслов, Алексей
Тозер, Стэнли

Дополнительную информацию о Национальной лаборатории сильного магнитного поля можно найти по адресу:
Домашняя страница Национальной лаборатории сильного магнитного поля

Магнетизм и вращение в релятивистской теории поля | Успехи теоретической и экспериментальной физики

Аннотация

Мы исследуем аналогию между магнетизмом и вращением в релятивистской теории.В нерелятивистской теории точное соответствие между магнетизмом и вращением устанавливается при наличии внешнего ловушечного потенциала. Исходя из этого, мы анализируем релятивистское вращение при наличии внешних потенциалов ловушки. Квантование типа Ландау получается при рассмотрении зависящего от энергии потенциала.

1. Введение

В квантовой физике реакция на магнетизм является одним из наиболее важных предметов. Одним из распространенных явлений, вызванных внешним магнитным фоном, является квантование Ландау.Например, в системах с конденсированными средами квантовый эффект Холла в основном описывается уровнями Ландау [1]. В релятивистской теории, такой как квантовая хромодинамика, внешнее магнитное поле усиливает фермион-антифермионный конденсат и генерирует динамическую фермионную массу, что называется магнитным катализом [2,3]. Магнитный катализ также важен в системах конденсированного состояния с релятивистскими законами дисперсии, таких как графены и полуметаллы Дирака [4].

Эффекты вращения аналогичны магнетизму, поэтому у них много общих явлений: Квантовый эффект Холла также вызывается вращением, а не внешним магнитным полем [5].Квантовый вихрь генерируется приложением магнитного поля к конденсату Бозе-Эйнштейна или его вращением [6,7]. Хиральный магнитный эффект [8,9] аналогичен киральному вихревому эффекту [10,11], который может генерироваться завихренностью во вращающейся кварк-глюонной плазме [12–14]. Заметим, что, поскольку вращательные эффекты не зависят от электрического заряда, эти вращательные явления возникают даже для нейтральных частиц, тогда как магнитные явления возникают только для заряженных частиц.

Действительно, в нерелятивистской теории известно точное соответствие между магнетизмом и вращением [15,16].Очень быстро вращая атомарный газ в гармонической ловушке, мы можем экспериментально реализовать это соответствие [17–19]. Если это соответствие будет достигнуто, то ожидается, что квантование Ландау и другие магнитные явления, такие как квантовый эффект Холла, будут наблюдаться во вращающихся средах. С другой стороны, связь между магнетизмом и вращением не ясна в релятивистской теории. Поскольку релятивистская теория является более фундаментальной, чем нерелятивистская теория, которая выводится из нерелятивистского предела релятивистской теории, нерелятивистское соответствие должно быть потенциально включено в релятивистскую теорию.Если мы сможем найти какое-то соответствие, мы сможем отстаивать новые явления в релятивистских вращающихся веществах, которые аналогичны магнитным явлениям.

В этой статье мы обсуждаем аналогию между магнетизмом и вращением в релятивистской теории. Как будет рассмотрено в следующем разделе, точное соответствие в нерелятивистской теории достигается только после применения внешнего ловушечного потенциала. Исходя из этого, мы анализируем вращающиеся системы с внешними ловушечными потенциалами в релятивистской теории и обсуждаем квантование энергетического спектра.

2. Нерелятивистская теория

В этом разделе мы рассмотрим установленную связь между магнетизмом и вращением в нерелятивистской теории.

В качестве простейшего примера проиллюстрируем соответствие в классической механике. На заряженную частицу в магнитном поле действует сила Лоренца. С другой стороны, на вращающуюся частицу действуют две кажущиеся силы:

F=2mv×Ω−mΩ×(Ω×x),

(2), т. е. сила Кориолиса и сила центробежная сила соответственно.Сила Кориолиса математически эквивалентна силе Лоренца при замене eB↔2mΩ⁠. Таким образом, за исключением центробежной силы, мы видим соответствие между магнетизмом и вращением. Другими словами, решающим моментом для соответствия является то, как устранить центробежную силу. Кроме того, в нерелятивистской квантовой механике можно показать, что центробежная сила является разницей между магнетизмом и вращением. Предположим, что есть магнитное поле и угловая скорость вдоль оси z, B=Bzˆ и Ω=Ωzˆ⁠.Гамильтониан заряженной частицы в магнитном поле имеет вид 2,Вх/2,0)⁠. Энергетический спектр квантуется, что называется квантованием Ландау. С другой стороны, гамильтониан для частицы во вращающейся системе отсчета имеет вид

H=p22m−Ωzˆ⋅(x×p)=12m(p−mΩzˆ×x)2−12mΩ2(x2+y2).

(5) Здесь также соответствие между кинетическими членами в уравнениях (3) и (5) подтверждается. Однако второй член в уравнении(5) отсутствует в уравнении. (3). Как и в классической механике, этот лишний термин связан с центробежной силой. Действительно, мы получаем центробежную силу в уравнении. (2) из ​​

∇[−12mΩ2(x2+y2)]=mΩ×(Ω×x).

(6) Этот потенциал центробежной силы создает другую физическую ситуацию, отличную от магнетизма в отношении однородности. Наличие потенциала центробежной силы дает неоднородность во вращающихся системах отсчета, а системы во внешних магнитных полях однородны. Если мы можем устранить потенциал центробежной силы, применяя внешний потенциал захвата вручную, мы можем наблюдать спектр квантованной энергии Ландау [18]. Следовательно, когда потенциал центробежной силы и внешний потенциал захвата компенсируются, магнетизм и вращение эквивалентны переписка

3.Релятивистская теория

Мы рассматриваем релятивистскую скалярную теорию поля в цилиндрической координате xµ=(t,r,θ,z)⁠. Решения следующих уравнений записываются как

φ(x)=e−iϵt+ipzz+iℓθΦ(r),

(10), где ось z представляет собой направление B и Ω⁠. При наличии магнитного поля уравнение Клейна–Гордона имеет вид

[∂t2−∂r2−1r∂r−1r2∂θ2−∂z2+m2+ieB∂θ+14e2B2r2]φ(x)=0.

(11) Берем eB>0⁠. Подставляя уравнение (10) получаем

[ϵ2+∂r2+1r∂r−ℓ2r2−pz2−m2+eBℓ−14e2B2r2]Φ(r)=0.

(12) Решение этого уравнения известно как волновая функция Ландау

Φ(r)=rℓe−eBr2/4Lnℓ(eBr2/2),

(13) где Lnk(x) – связанный полином Лагерра. Соответствующее собственное значение энергии, т. Е. Уровень энергии Ландау, определяется выражением Уровни Ландау зависят только от радиального квантового числа n, а не от азимутального квантового числа ℓ⁠, поэтому состояния Ландау с разными ℓ энергетически вырождены. Нормируемость волновой функции (13) ограничивает диапазон ℓ от −n до ∞⁠.Отметим необходимое условие квантования Ландау. В общем, квантование гармонических осцилляторов требует, чтобы типичный масштаб потенциала захвата был намного меньше, чем размер системы. Таким образом, для получения волновой функции (13) и уровня энергии (14) нам нужна система с радиусом, достаточно большим по сравнению с магнитной длиной: (15) не выполняется, волновая функция недостаточно локализована, и поэтому мы должны рассматривать краевой эффект.В релятивистской теории вращение описывается как геометрия пространства-времени через соответствующий метрический тензор. В искривленном пространстве-времени с gµν⁠ уравнение Клейна–Гордона имеет вид внешний потенциал. Во вращающейся системе координат метрический тензор равен

gµν=(1−r2Ω20−r2Ω00−100−r2Ω0−r20000−1) .

(17) Принимаем Ω>0⁠. Подставляя уравнения. (10) и (17) в уравнение. (16) получаем уравнение

[(ϵ+ℓΩ)2+∂r2+1r∂r−ℓ2r2−pz2−m2−V(r)]Φ(r)=0.

(18) Это уравнение также можно получить, заменив энергию ϵ в плоском пространстве Минковского на ϵ+ℓΩ⁠.Из-за релятивистской причинности мы должны рассматривать вращающийся цилиндр с конечным радиусом R≤1/Ω⁠; в противном случае кадр движется быстрее света. Известно, что во вращающейся системе отсчета с R>1/Ω⁠ спектр частиц является патологическим [20–24].

Чтобы сравнить вращение с магнетизмом, мы анализируем энергетический спектр уравнения. (18) для трех случаев внешнего потенциала V(r)⁠.

3.1. Дело I

Основываясь на обсуждении нерелятивистского случая, мы рассматриваем гармонический потенциал захвата с постоянным параметром α>0⁠: в этом случае уравнение(18) может быть легко решено, если мы наложим условие, аналогичное уравнению. (15): Пока выполняется первое неравенство, волновая функция локализована и экспоненциально подавлена ​​на границе. Поэтому, как и при магнитном квантовании Ландау, граничным эффектом можно пренебречь. Второе неравенство налагается для сохранения причинности, как упоминалось выше. Решение уравнения (18) равно

Φ(r)=rℓe−αΩr2/2Lnℓ(αΩr2/2),

(21) с энергетическим спектром

ϵ=−ℓΩ±2αΩ(2n+ℓ+1)+pz2+m2.

(22) Энергетический спектр зависит как от n, так и от ℓ⁠.Это сильно отличается от магнетизма. Для нерелятивистского расширения с α = m⁠ мы явно показываем скорость света c⁠: m = mc2⁠, Ω = Ω/c⁠ и pz = pzc⁠. Тогда нерелятивистская энергия определяется как с5).

(23) Первые два члена соответствуют нерелятивистскому квантованию Ландау (8). Другие термины представляют собой релятивистские поправки более высокого порядка. Хотя члены, пропорциональные (2n+ℓ+1) и (2n+ℓ+1)2, по-видимому, прерывают реализацию нерелятивистского квантования Ландау, на самом деле такими членами можно пренебречь, поскольку уравнение(20) следует неравенство Ω≪mc3⁠.

3.2. Дело II

Чтобы получить энергетический спектр, аналогичный квантованию Ландау, нам нужен потенциал, зависящий от энергии. Уравнение принимает вид

25), который имеет ту же форму, что и уравнение (12) с соответствием Обратите внимание, что ϵ может быть положительным и отрицательным, в отличие от eB и mΩ⁠. (Здесь мы берем Ω>0⁠.) Поскольку преобразование ϵ→−ϵ эквивалентно преобразованию четности ℓ→−ℓ в уравнении. (25) решение с ϵ<0 получается заменой ℓ→−ℓ в уравнении.(25). Запишем решение как функцию |ϵ| и возьмите +ℓ (⁠−ℓ⁠) для ϵ>0 (⁠ϵ<0⁠). Соответствие (26) приводит к следующему решению:

Φ(r)=r±ℓe−|ϵ|Ωr2/2Ln±ℓ(|ϵ|Ωr2).

(27) Энергетический спектр

|ϵ|=Ω(2n+1)+Ω2(2n+1)2+pz2+m2,

(28) имеет моды положительной и отрицательной энергии. В том смысле, что энергия зависит только от n, а не от ℓ⁠, это квантование, подобное Ландау. При pz=m=0⁠ энергия пропорциональна Ω⁠, |ϵ|=2Ω(2n+1)⁠. Отметим, что такой спектр реализуется только при n ≫ 1, поскольку это требует квантования. В нерелятивистском пределе внешний потенциал (24) сводится к уравнению(19) и энергия воспроизводит уравнение. (8).

3.3. Дело III

Если мы опустим ℓ-зависимый потенциал в уравнении. (24), и применить только потенциал ловушки, тогда решение будет таким же, как уравнение. (27), но энергетический спектр изменяется как

|ϵ|=Ω(2n+1)±Ω2[(2n+1)2−ℓ2]+pz2+m2.

(31) Снова мы считаем, что уравнение. (29) доволен. Существуют четыре ветви дисперсионного уравнения. Такая многоветвевая структура объясняется уравнением Клейна–Гордона (18). Для V(r)=0⁠, поскольку энергия появляется только в члене (ϵ+ℓΩ)2⁠, есть две ветви, соответствующие знаку ϵ+ℓΩ⁠, как показано в уравнении.(34). С другой стороны, поскольку уравнение (25) включает не только (ϵ+ℓΩ)2, но и ϵ2⁠, есть четыре ветви, соответствующие знакам ϵ+ℓΩ и ϵ⁠. Это связано с тем, рассматривать ли φ(x) как частицу или античастицу. Например, даже если φ(x) во вращающейся системе отсчета рассматривается как частица (т.е. ϵ>0⁠), в обоих случаях φ(x) в инерциальной системе отсчета рассматривается как частица (т.е. ϵ+ℓΩ> 0⁠) и как античастица (т.е. ϵ+ℓΩ<0⁠) [20]. ℓ-зависимость в уравнении (31) играет роль, аналогичную спиновой зависимости заряженной частицы в магнитных полях,

ϵ=±eB(2n+1−2s)+pz2+m2.

(32) Таким образом, моды больших ℓ являются тахионными, как и неустойчивые моды Нильсена–Олесена [25]. Следует отметить разницу между этими двумя неустойчивостями: неустойчивость Нильсена-Олесена является результатом только нижних мод с n≲s−1/2⁠. С другой стороны, наша неустойчивость требует не только n≲(|ℓ|−1)/2, но и n≫1⁠, что определяется уравнением (29). Следовательно, в уравнении (31) только высшие моды генерируют неустойчивость. Заметим также, что и многоветвевая дисперсия, и неустойчивость возникают из-за лишнего члена вращения, т.е.е. ℓ2Ω2⁠, как показано в уравнениях. (28) и (31).

4. Скалярный конденсат

Одним из важных свойств магнетизма является катализирующее действие на конденсат, являющееся параметром порядка спонтанного нарушения симметрии. Кратко обсудим вращательные эффекты в скалярном конденсате. Спектр частиц во вращающейся системе отсчета тривиально получается преобразованием координат из пространства Минковского. Это превращение не изменяет конденсат в каждом вакууме, т.е.например, 〈0Min|φMin|0Min〉=〈0Rot|φRot|0Rot〉⁠. Однако он может изменить конденсат, наблюдаемый в другом вакууме, т. е. 〈0Min|φMin|0Min〉≠〈0Min|φRot|0Min〉⁠.

Сначала рассмотрим энергетический спектр невзаимодействующей скалярной теории без внешних потенциалов. Решение уравнения (18) при V(r)=0 имеет энергию

ϵ=−ℓΩ±p⊥2+pz2+m2.

(34) Поскольку угловой момент ℓ может быть произвольным целым числом, этот спектр кажется неограниченным. Эта проблема возникает из-за неверного предположения, что размер системы бесконечно велик.Во вращающейся системе с R≤1/Ω⁠ перпендикулярный импульс p⊥ должен быть дискретизирован. Например, если мы накладываем граничное условие Дирихле при r = R⁠, дискретный импульс определяется выражением где ξℓk — k-й нуль Jℓ(z)⁠. Заметим, что нули Бесселя удовлетворяют условию ξℓ1>|ℓ| [26]. Пока сохраняется причинно-следственная связь (т. е. RΩ≤1⁠), следовательно, спектр с положительным знаком в уравнении (34) имеет нижнюю границу:

ϵ≥−ℓΩ+ξℓ1/R>0.

(36) На рис. 1 показан нижний спектр для pz=m=0⁠, т.е. ϵ=−ℓΩ+ξℓ1/R⁠. Основное состояние всегда l=0 даже при Ω>0⁠.

Рис. 1.

Положительный спектр в формуле. (34) при pz=m=0 и p⊥=ξℓ1/R⁠. Режим ℓ=0 всегда соответствует основному состоянию. Во вращающихся системах отсчета (⁠Ω≠0⁠) положительные моды ℓ энергетически более выгодны, чем моды ℓ.

Рис. 1.

Положительный спектр в уравнении (34) при pz=m=0 и p⊥=ξℓ1/R⁠. Режим ℓ=0 всегда соответствует основному состоянию. Во вращающихся системах отсчета (⁠Ω≠0⁠) положительные моды ℓ энергетически более выгодны, чем моды ℓ.

Если в системе есть самодействие и химический потенциал, то скалярный конденсат может быть ненулевым. При V(r)=0⁠ изменение конденсата связано со сдвигом дисперсии энергии ϵ→ϵ+ℓΩ⁠. Этот сдвиг рассматривается как эффективный химический потенциал μℓ≡ℓΩ [27,28]. На составляющую конденсата l=0 этот эффективный химический потенциал не влияет напрямую, в то время как на нормальную составляющую l≠0 влияет. Конденсат изменяется за счет самодействия с нормальной составляющей. Кроме того, плотность частиц и конденсат становятся неоднородными.Наивно ожидать, что числовая плотность увеличивается, а конденсат уменьшается при больших r из-за центробежной силы.

Если во вращающуюся систему ввести внешний потенциал, то воздействие на конденсат будет более нетривиальным. Например, основное состояние может измениться с ℓ=0 на ℓ≠0⁠. (Для оценки истинного основного состояния мы должны точно учитывать граничное условие, которое мы упростили в предыдущем разделе.) Более того, мы ожидаем некую нетривиальную генерацию конденсата, а именно «вращательный катализ», т.е. аналог магнитного катализа.Поскольку вращение связано со всеми видами полей, даже с нейтральными по отношению к заряду полями, мы можем повсеместно ожидать его в различных системах. Такое новое явление, вызванное вращением, представляет собой довольно увлекательную работу, основанную на обсуждении в этой статье.

5. Резюме

Мы исследовали соответствие между магнетизмом и вращением в релятивистской теории. Мы обсудили квантование Ландау нерелятивистским вращением и оценили релятивистскую поправку к нему. Учитывая зависящий от энергии потенциал захвата, мы нашли ландауподобное квантование релятивистским вращением.

В этой статье для простоты мы обсудили скалярную теорию поля. Анализ может быть распространен на поля с более высокими спинами. Например, вращающийся фермион со спином 1/2 описывается уравнением Дирака во вращающейся системе отсчета. Уравнение Дирака во вращающейся системе отсчета имеет член связи спин-вращение, который соответствует зеемановскому члену в магнетизме, хотя и зависит от выбора вирбейна [29,30]. Квантование импульса для фермиона не так тривиально, как уравнение (1). (35) из-за спин-вращательной связи.Накладывая граничное условие в терминах сохранения тока, мы получаем квантованный импульс для фермиона [31,32]. При этом ℓ-зависимость низшей энергетической моды немного меняется (все точки на рис. 1 смещаются влево на 1/2), но все же можно утверждать, что дисперсия ограничена снизу. Следовательно, такое же обсуждение возможно для вращательных эффектов на фермионном энергетическом спектре и конденсате.

Благодарности

Авторы благодарят Кенджи Фукусиму, Санджина Беника, Томою Хаяту и Патрика Копингера за полезные обсуждения.KM поддерживается исследовательскими стипендиями JSPS для молодых ученых. AY поддерживается грантом JSPS KAKENHI № 15K17624.

Финансирование

Финансирование открытого доступа: SCOAP 3 .

Каталожные номера

[1]

,

Квантовый эффект Холла

(

Springer Verlag

,

New York

,

1987

).[15]

,

Ам. Дж. Физ.

41

,

583

(

1973

).[16]

,

Евро. Дж. Физ.

4

,

162

(

1983

). [17]

,

Физ. Преподобный Летт.

84

,

6

(

2000

). [18]

,

Физ. Преподобный Летт.

87

,

120405

(

2001

). [20]

,

Физ. Ред. D

22

,

1345

(

1980

). [21]

,

Физ. Ред. D

21

,

2260

(

1980

).[25]

,

Нукл. физ. Б

160

,

380

(

1979

). [26]

,

Трактат о теории функций Бесселя

(

Cambridge University Press

,

Cambridge

,

1995

).[29]

,

Физ. Ред. D

26

,

1900

(

1982

). [30]

,

Физ. Ред. D

42

,

2045

(

1990

).

© Автор(ы) 2016.Опубликовано Oxford University Press от имени Физического общества Японии.

Это статья в открытом доступе, распространяемая в соответствии с лицензией Creative Commons Attribution License (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/), которая разрешает неограниченное повторное использование, распространение и воспроизведение на любом носителе при условии, что оригинал работа правильно цитируется. Финансируется SCOAP 3

Физика Монополь-у: ключ к единой теории всего?

Восемьдесят шесть лет назад физик Поль Дирак предположил существование магнитных монополей; то есть магнитные полюса, которые существуют независимо друг от друга.Не север и юг вместе. Север. И юг. Отдельно.

Почти столетие спустя Феликс Фликер, физик-теоретик из Беркли и научный сотрудник лаборатории Нормана Яо, работает над доказательством теории Дирака. «Я думал об этом философском моменте, — говорит Фликер. «У вас не может быть левого конца палки без правого конца, не так ли?»

Даже при разложении на частицы нанометрового размера о магнитах остается один факт: северный и южный полюса всегда находятся вместе.«Магнит называется магнитным диполем, — объясняет Фликер. «То есть у него два полюса, северный и южный», которые нельзя разделить. Как в полосовом магните. Но, продолжает он, существует электрический диполь , у которого есть «электрон и позитрон» на противоположных полюсах. Как в батарее.

Открытие магнитных монополей поможет физикам разработать единую теорию Вселенной. «Все законы природы выглядели бы намного лучше, если бы они существовали… Просто мы так и не нашли эти вещи.

Почему это явление считается странностью физики? «С электрическими диполями вам разрешено просто разъединить их, и вы получите два отдельных заряда. Почему-то в магнитном корпусе их не разобрать», — говорит он. «Почему он существует как диполь, а не как два монополя?»

Электричество и магнетизм настолько тесно связаны, что электромагнетизм — их взаимодействие — является одной из четырех фундаментальных сил нашей Вселенной. Единственное различие между электричеством и магнетизмом, по-видимому, заключается в существовании электрических монополей, обычно известных как заряженные частицы, и отсутствии магнитных монополей.Обнаружение магнитных монополей примирило бы их и помогло бы физикам создать единую теорию вселенной.

«Все законы природы выглядели бы намного лучше, если бы они существовали…. Просто мы так и не нашли эти вещи», — говорит Фликер.

Лабораторные эксперименты

позволили создать структуры, подобные монополям, но до сих пор никто не видел ничего, кроме имитации. Однако теперь, с новым детектором, сверхнизкими температурами и небольшим везением, Фликер и его коллеги, наконец, смогут наблюдать это явление в магнитном кристаллическом материале, называемом «спиновым льдом».

Рассматриваемый спиновой лед, представляющий собой сложную молекулярную решетку, был выращен в Оксфорде и отправлен на НВ-магнитометр Гарварда, одно из немногих устройств, оборудованных для проведения предлагаемого эксперимента. Устройство, управляемое гарвардским физиком по конденсированным веществам Амиром Якоби, было создано, чтобы выдерживать такие низкие температуры, как 1,5 кельвина, что составляет около -271,65 градусов по Цельсию — очень, очень холодно.

NV-магнитометр использует отдельные дефекты в алмазе для сканирования магнитных полей; он будет сканировать область спинового льда размером 10 x 10 нанометров (1 нанометр = одна миллиардная часть метра) и, если все пойдет по плану, зарегистрирует прохождение магнитного монополя за миллисекунды.

Фликер говорит, что в случае успеха результаты станут «неопровержимой сигнатурой» явления магнитного монополя. Хотя это и не наблюдение новой фундаментальной частицы, предсказанной Дираком, это может быть настолько близко к ее обнаружению, насколько когда-либо приближались ученые.

Частицы магнитного монополя, вероятно, чрезвычайно редки; Фликер предполагает, что в каждой галактике может быть одна частица. В случае эксперимента Фликера это не будет означать наблюдение реальной частицы.

«Всякий раз, когда обнаруживается частица, она взаимодействует с устройством обнаружения и, следовательно, не является фундаментальной в строгом смысле. Это квазичастица в широком смысле этого слова», — объясняет он. «Конечно, мы можем сделать вывод о существовании элементарных частиц, даже если никогда их не увидим. Как вывод о существовании объективной вселенной, даже если все наши переживания относительно нее субъективны».

Практическое использование магнитных монополей сложно. Как это часто бывает с физикой, не каждое открытие имеет прямое практическое применение.У Фликера есть несколько предположений об использовании монополя: «магнетизм» и компьютерная память. Если магнитные монополи могут блуждать по спиновому льду, то они могут течь, как электроны в электрическом токе, и управляться так же, как мы используем электричество. Магнитность потенциально может использоваться как гораздо более компактная форма компьютерной памяти.

«Но это довольно ранние стадии», — говорит Фликер. «Мы должны доказать, что эта штука существует. Тогда, надеюсь, люди будут гораздо больше заинтересованы в попытках реализовать это в технологии.

(PDF) Квантовая теория магнетизма

Январь, 2009 ПРОГРЕСС В ФИЗИКЕ Том 1

уравнение для магнитных полей. Эта частица опосредует

магнитное взаимодействие между магнитными диполями, тем самым

устанавливая магнитное взаимодействие как одно отдельное

от электромагнитного взаимодействия и превращая все

классического магнетизма в квантовую теорию.

• Обеспечивает правдоподобные объяснения широкого круга

до сих пор необъяснимых явлений, включая явления

, связанные с принципом запрета Паули, химической

реакционной способностью и химическими связями.

2 Электромагнитное взаимодействие

В настоящее время считается, что взаимодействие электро-

магнитного поля с заряженными точечными (Дираковскими) частицами

подчиняется принципу минимального взаимодействия [4]; все

заряженных частиц имеют только токовые взаимодействия с

электромагнитным полем, определяемым формулой где – 4-векторный

потенциал электромагнитного поля, а – 4-векторный

ток.Минимальная концепция подразумевает, что все электромагнитные

свойства могут быть описаны этим взаимодействием и что никакие другие

взаимодействия не нужны. Во взаимодействии участвуют как

заряд частицы, так и ее магнитный момент, являющийся результатом ее спинового магнитного момента (СММ), полученного из

теории Дирака, и кванты 4-векторного электромагнитного

поля имеют спин 1 фотоны. Рассмотрим «бесспиновую» дираковскую частицу.

Для такой частицы СММ равна нулю и, следовательно, электромагнитное взаимодействие осуществляется только через заряд с соответствующим

электрическим полем, опосредованным 4-вектором [5].Если с другой стороны

заряд дираковской частицы со спином

равен нулю, то СММ снова стремится к нулю и взаимодействие между

4-вектором А и незаряженной частицей исчезает. Роман

[4, см. с. 436] использовал протон-фотонное взаимодействие в виде

и отсутствие нейтрон-фотонного взаимодействия (поскольку

нейтрон незаряжен) для объяснения экспериментального факта

того, что электромагнитное взаимодействие разрушает изотропию

изоспина пространство, эффект, который Сакураи [6] считал «одной из

глубочайших тайн физики элементарных частиц».

кажется поэтому, что для нейтронов, у которых электрический заряд равен

нулю, но магнитный момент отличен от нуля, взаимодействие не может быть

типа, т. Хорошо известное отсутствие взаимодействия между (относительно стационарными) электрическими зарядами и

магнитами, возможно, предполагает, что в этих взаимодействиях участвуют разные кванты-посредники

. Заметим из электродинамического уравнения, что, в отличие от электрического поля

, для определения которого требуются как 3-векторный потенциал, так и скалярный потенциал, магнитное поле полностью определяется формулой

, которую мы знаю, удовлетворяет [3]

(2.1)

Используя это же нуклон-фотонное взаимодействие, Роман также доказал, что

электромагнитное взаимодействие сохраняет третью компоненту изоспина, ,

известный экспериментальный факт.

где – плотность тока, и которая, как установлено

Эффектом Ааронова-Бома [7], имеет независимое физическое

существование. Поэтому мы спрашиваем, является ли 3-вектор полем магнитного взаимодействия, которое отделено от поля электромагнитного взаимодействия

4-вектора?

Обычно считается, что все взаимодействия опосредованы

калибровочными полями и, следовательно, если поле взаимодействия, то

оно должно следовать из принципа калибровочной инвариантности [5].В соответствии с этим принципом изменение фазы фермиона слабо создает разности фаз, которые должны быть

скомпенсированы калибровочным полем, если эти разности не должны быть наблюдаемыми. Другими словами, калибровочное поле является результатом фазовых изменений фермионного поля

. Примерами таких компенсирующих полей являются электромагнитное поле КЭД и

глюонное поле КХД (квантовой хромодинамики). Обращая это правило, мы

предполагаем, что независимо созданное калибровочное поле должно производить

локальные фазовые изменения в фермионном поле посредством взаимодействия

, т.е.е. фазовые изменения фермионного поля должны быть результатом калибровочного поля

. Мы полагаем, что именно это и демонстрирует эффект Ааронова-Бома [7]. Здесь 3-векторное

поле, независимо генерируемое электрическим током, непосредственно производит фазовые изменения в пучке электронов в области

, где соответствующее магнитное поле B равно нулю. Мы полагаем, что из этого следует, что может быть вызвано соответствующим

фазовым изменением фермионного поля, и что оно представляет собой поле взаимодействия

.

Чтобы смоделировать калибровочное поле, необходимо

идентифицировать соответствующую сохраняющуюся величину, такую ​​как электрический заряд, который будет определять

силу связи с фермионом. В связи с этим отметим, что была разработана обширная квантовая теория поля, описывающая магнитные монополи, несущие магнитные заряды [8]. Квантами этой

теории поля являются кванты, связанные с калибровочным полем

КЭД, а именно фотоны, которые в этой теории связаны с

как электрическим зарядом, так и магнитным зарядом.Однако магнитные монополи

не были обнаружены несмотря на напряженные усилия и

, поэтому эта теория остается непроверенной. К развитию новой теории, имеющей в качестве калибровочного поля

, мы применяем подход, иногда применяемый в магнитостатике [3,

см. с. 325] и определить магнитный заряд, который, хотя

физически нереален, рассматривается как источник магнитного потока

для целей разработки.

3 Калибровочная теория магнетизма

Для фермиона с магнитным моментом определим [3]

(3.1)

где мы называем магнитным зарядом и рассматриваем его как

источник магнитного потока, связанного с магнитным моментом. Теперь рассмотрим лагранжеву плотность

фермионного поля, заданную

(3.2)

Стефаном Гифтом. Квантовая теория магнетизма 13

Новая теоретическая концепция переплетает магнетизм и топологию – революционный потенциал будущего

Графическое представление связи между материалом (= два скрученных слоя графена) с топологическими свойствами, топологической поверхностью в математическом смысле (= лента Мебиуса) и магнетизмом (магнитные спины).Кредит: © MPI CPfS

Новый обзор по магнитным топологическим материалам Андрея Берневига, Принстонский университет, США, Хаима Бейденкопфа, Институт науки Вейцмана, Израиль, и Клаудии Фельзер, Институт химической физики твердых тел им. Макса Планка, Дрезден, Германия, представляет новую теоретическую концепцию который переплетает магнетизм и топологию. В нем идентифицируются и исследуются потенциальные новые магнитные топологические материалы, упоминаются их возможные будущие применения в спиновой и квантовой электронике, а также в качестве материалов для эффективного преобразования энергии.В обзоре обсуждается связь между топологией, симметрией и магнетизмом на уровне, подходящем для аспирантов, изучающих физику, химию и материаловедение, имеющих базовые знания по физике конденсированных сред.

Магнитные топологические материалы представляют собой класс соединений, свойства которых сильно зависят от топологии электронных волновых функций в сочетании с их спиновой конфигурацией. Топология — это простая концепция, имеющая дело с поверхностями объектов. Топология математической структуры идентична, если она сохраняется при непрерывной деформации.Блин имеет ту же топологию, что и куб, пончик — кофейную чашку, а крендель — доску с тремя отверстиями. Добавление спина предлагает дополнительную структуру — новую степень свободы — для реализации новых состояний материи, неизвестных в немагнитных материалах. Магнитные топологические материалы могут поддерживать киральные каналы электронов и спинов и могут использоваться для множества приложений от хранения информации, управления бездиссипативным спином и переносом заряда до гигантских откликов на внешние раздражители, такие как температура и свет.

Обзор подытоживает теоретический и экспериментальный прогресс, достигнутый в области магнитных топологических материалов, начиная с теоретического предсказания квантового аномального эффекта Холла без учета уровней Ландау и заканчивая недавними открытиями магнитных полуметаллов Вейля и антиферромагнитных топологических изоляторов. Описан недавний теоретический прогресс, который привел к составлению таблиц всех представлений групп магнитной симметрии и топологии. В результате все известные магнитные материалы, включая будущие открытия, могут быть полностью охарактеризованы их топологическими свойствами.

Идентификация материалов для конкретного технологического применения (например, Зала квантовых аномалий) проста. Используя этот подход, магнитные топологические материалы с температурами магнитного перехода выше комнатной температуры могут быть идентифицированы или, при необходимости, разработаны для классических приложений, таких как термоэлектрические устройства, датчики Холла или эффективные катализаторы, но они также полезны для квантовых приложений при низких температурах, включая вычисления и датчики. .

Андрей Берневиг комментирует, что «реализация QAHE при комнатной температуре была бы революционной, преодолевая ограничения многих технологий, основанных на данных, на которые влияют потери мощности из-за джоулева нагрева», и его коллега Стюарт Паркин, Институт физики микроструктур Макса Планка. , Галле, Германия, «могут себе представить, как новые свойства этого нового класса магнитных материалов могут проложить путь к новым поколениям устройств квантовой электроники и спинтроники с низким энергопотреблением и даже новым сверхпроводящим устройствам спинтроники.

Claudia Felser, MPI CPfS очень воодушевлена ​​их потенциальным применением в химии. Она говорит: «Если мы сможем разработать магнитный катализатор для расщепления воды, мы сможем изменить каталитические свойства с помощью внешнего поля, что позволит нам включать и выключать катализ».

Для Хаима Бейденкопфа квантовый компьютер является, пожалуй, самым захватывающим направлением в современной науке: «Разработка материала, демонстрирующего высокотемпературную квантовую аномалию Холла посредством квантового удержания магнитного полуметалла Вейля, и его интеграция в квантовые устройства — моя главная задача. цель на будущее.«Область магнитных топологических материалов явно имеет и будет иметь влияние как в научном, так и в технологическом мире.

alexxlab

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.