Array
Лаборатория теоретической нанофизики отметила новоселье в ЛК
Обычный бит и кубит, квантовый бит. Иллюстрация: University of Strathclyde

Лаборатория теоретической нанофизики отметила новоселье в ЛК

8 октября в здании лабораторного корпуса МФТИ открылось помещение лаборатории теоретической нанофизики. Эта научная группа под руководством профессора Михаила Фейгельмана занимается изучением различных квантовых процессов — от протекания тока через топологические изоляторы до переноса тепла через неупорядоченную квантовую среду при низких температурах и теории квантовых логических устройств (кубитов) на основе сверхпроводников.

По словам руководителя лаборатории, Михаила Викторовича Фейгельмана (профессор, доктор физико-математических наук, выпускник МФТИ 1977 года), термин «нанофизика» в названии отражает характерный масштаб исследуемых явлений. Работа новой группы, состоящей преимущественно из выпускников (а также аспирантов и студентов) факультета общей и прикладной физики, сфокусирована на квантовых процессах в наноструктурах.

«Квантовые процессы, — поясняет Михаил Фейгельман, — обычно наблюдаются на субмикронных масштабах, редко можно встретить существенно квантовое поведение системы миллиметрового размера. Например, в случае топологических изоляторов речь идет о поверхностном слое порядка десяти межатомных расстояний». 

Топологические изоляторы, а также топологически сверхпроводники — это те объекты, которые сейчас активно изучаются во всем мире. Внутри своего объема такой материал является изолятором и его квантовая структура не допускает переноса электрических зарядов, но в тонком приповерхностном слое тот же материал становится проводником. Или, при охлаждении до низких температур, приобретает сверхпроводящие свойства.

Этот эффект нельзя путать с классическим и описанным в курсе элементарной физики скин-эффектом: когда ток с возрастанием частоты начинает протекать преимущественно вблизи поверхности проводника. Скин-эффект полностью объясняется классической электродинамикой, свойства металла по всему объему допускают перенос заряда, а толщина скин-слоя для тока промышленной частоты имеет вполне макроскопические размеры около одного сантиметра. Внутри же топологического изолятора заряд перемещаться не может в принципе, проводящий слой очень тонок, а его природа обусловлена сугубо квантовыми эффектами. Предельно упрощая суть явления, можно сказать, что описывающие поведение электронов в материале волновые функции в глубине образца отличаются от волновых функций вблизи поверхности — так же, как распространение волн в толще жидкости и вблизи поверхности происходит по-разному.

Для углубленного ознакомления с изучаемыми в лаборатории явлениями можно изучить материалы на сайте лаборатории http://nanotheory.itp.ac.ru или послушать (в весеннем семестре) читаемые сотрудниками лаборатории лекции для 3-курсников «Введение в теорию конденсированного состояния». Кроме того, на сайте Института теоретической физики, где Михаил Фейгельман возглавляет сектор квантовой мезоскопики, есть отдельная лекция для студентов. Она рассчитана на тех, кто уже знаком с понятием гамильтониана системы и спина частиц.

Лаборатория теоретической нанофизики занимается исследованием квантовомеханических эффектов в структурах, которые из-за этих эффектов проявляют те или иные аномальные свойства. Топологические изоляторы и сверхпроводники лишь один из примеров: другим примером может служить лист графена с небольшими островками из атомов олова на поверхности. Несмотря на то, что эти островки не связаны друг с другом и покрывают лишь около десяти процентов поверхности или даже меньше, при охлаждении такая структура превращается в сверхпроводник.