Введение в специальность (Программа «Горизонты науки»)

Курсы лекций о современных задачах фотоники и физики двумерных материалов, а также в целом физики квантовых систем и высокотемпературной сверхпроводимости. Лекции читают ведущие ученые Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ и Центра высокотемпературной сверхпроводимости и квантовых материалов им. В.Л. Гинзбурга ФИАН. Это уникальная возможность познакомиться с потенциальными научными руководителями и задачами, которые решаются в рамках центров в сотрудничестве с ведущими российскими и зарубежными научно-исследовательскими группами.
Время: Вторник, 18-35
Место: Физтех.Цифра 2.35

1. Исследование локальных свойств электронов в топологических изоляторах, дираковских полуметаллах и сверхпроводниках, Владимир Пудалов, зав. отделом высокотемпературной сверхпроводимости и сверхпроводниковых наноструктур ФИАН
05.02.2020 (среда), 17:05, Большая химическая (ЛК)

2. Двумерные плазмоны — посредники между светом и электрическим током, Дмитрий Свинцов, заведующий лабораторией оптоэлектроники двумерных материалов.
11.02.2020 (вторник), 18:35, Физтех.Цифра 2.35

3. Транспортные свойства топологически нетривиальных систем, Леонид Моргун, высококвалифицированный младший научный сотрудник ФИАН
12.02.2020 (среда), 17:05, Большая химическая (ЛК)

4. Электронная гидродинамика в твердых телах, Дмитрий Свинцов, заведующий лабораторией оптоэлектроники двумерных материалов.
18.02.2020 (вторник), 18:35, Физтех.Цифра 2.35

5. Туннельные эффекты в сверхпроводниках как ключ к пониманию фундаментальных механизмов, Татьяна Кузьмичева, высококвалифицированный старший научный сотрудник ФИАН
25.02.2020 (вторник), 18:35, Физтех.Цифра 2.35

6. Вторая квантовая революция, основанная на управлении взаимодействием легкой материи с наноструктурами, Павел Гинзбург, проф. Университета Тель-Авива и заведующий лабораторией радиофотоники
03.03.2020 (вторник), 18:35, Физтех.Цифра 2.35

7. Фотоны вмето электронов: от оптоволокна к микропроцессорам, Дмитрий Федянин, старший научный сотрудник лаборатории нанооптики и плазмоники

8. На терагерцовых волнах в океане физики твёрдого тела, Борис Горшунов, заведующий лабораторией терагерцовой спектроскопии

9. Метаматериалы и шапки-невидимки, Дмитрий Филонов, зам. заведующего лабораторией радиофотоники

10. RFID или радиочастотная идентификация, Дмитрий Филонов, зам. заведующего лабораторией радиофотоники

11. Оптический пинцет — как контролировать движение микро- и нанообъектов? Павел Гинзбург, проф. Университета Тель-Авива и заведующий лабораторией радиофотоники

12. Современная наука о материалах. ARPES эксперимент, Павел Безотосный, высококвалифицированный младший научный сотрудник ФИАН

13. Нарушение симметрии в топологические квантовых материалах, Александр Кунцевич, высококвалифицированный старший научный сотрудник ФИАН

14. Наноразмерные терагерцовые антенны: управление светом на наномасштабе, Дмитрий Пономарев, заместитель директора по научной работе Института сверхвысокочастотной полупроводниковой электроники имени В.Г. Мокерова РАН

15. C квантово-каскадными лазерами туда, где не ступала нога человека, Рустам Хабибуллин, ведущий научный сотрудник Института сверхвысокочастотной полупроводниковой электроники имени В.Г. Мокерова РАН

Список лекций дополняется…

Аннотации лекций:

1. Электронная гидродинамика в твердых телах, Дмитрий Свинцов, заведующий лабораторией оптоэлектроники двумерных материалов.
Вопрос о том, является электрон частицей или волной, не находит ответа в физике: в некоторых структурах перенос электронов может быть описан языком классической механики, а в некоторых — требует существенно квантовых представлений. Удивительно то, что в особо чистых полупроводниковых образцах при  комнатной температуре наиболее адекватным языком для описания движения электронов является гидродинамика вязкой жидкости. Электрический ток при этом может формировать вихри, а в некоторых случаях ламинарное движение может переходить в турбулентное. В лекции будет дан обзор моделей электронного транспорта в твердых телах, с особым упором на гидродинамический режим и критерии его наблюдения в двумерных системах на основе графена и арсенида галлия. Будет дан обзор нерешенных задач в теории электронной гидродинамики.

2. Двумерные плазмоны — посредники между светом и электрическим током, Дмитрий Свинцов, заведующий лабораторией оптоэлектроники двумерных материалов.
Одной из основных причин неэффективности источников и детекторов излучения терагерцового и дальнего инфракрасного диапазонов является значительное различие между длиной волны излучения (сотни микрон) и размером полупроводникового прибора (единицы микрон). Можно считать, что излучение проходит через подобные детекторы почти без взаимодействия. В лекции будет показано, что эта проблема может быть решена в полупроводниковых структурах, поддерживающих распространение плазмонов. Плазмоны являются согласованными колебаниями электронов проводимости и электромагнитного поля, и имеют длину волны, много меньшую длины волны фотона при той же частоте. В лекции будет дан обзор свойств плазмонов, поддерживаемых двумерными электронными системами — от классического до квантового режимов. Будет дан обзор приложений двумерных плазмонов, а также вызовов, стоящих на пути плазмоники.

3. Фотоны вмето электронов: от оптоволокна к микропроцессорам, Дмитрий Федянин, старший научный сотрудник лаборатории нанооптики и плазмоники
Сегодня информация внутри микросхем передается при помощи электрических сигналов, распространяющихся по медным дорожкам. В XXI веке это все равно, что передавать информацию по телефонному кабелю, только внутри микрочипа. В макроскопическом мире медные кабеля давно остались в прошлом — их заменило оптоволокно. На очереди фотонная революция в микрочипах. Зачем IBM, Hewlett Packard и Oracle вкладывают в эту революцию миллиарды долларов, когда появится процессор с 256 ядрами, какие фундаментальные проблемы требуется решить, как преобразовывать фотоны в электроны и обратно, как преодолеть диффракционный предел и сжать фотон до размеров электрона и как этому могут помочь квазичастицы, на сколько фотоны быстрее электронов, есть ли будущее у электроники? Ответы на эти и многие дргуге вопросы вы сможете узнать во время лекции.

4. На терагерцовых волнах в океане физики твёрдого тела, Борис Горшунов, заведующий лабораторией терагерцовой спектроскопии
Наше современное существование невозможно без использования самых разных приборов, конструкций, машин, материалов, что, в свою очередь, основано на знании фундаментальных физических свойств веществ и природы физических явлений. Одним из наиболее мощных экспериментальных методов изучения таких свойств и явлений является спектроскопия, основанная на наблюдении за изменениями характеристик электромагнитного излучения, произошедшими после его взаимодействия с исследуемым объектом. В данной презентации будут продемонстрированы возможности спектроскопии, работающей в наиболее труднодоступной для исследований спектральной области – в терагерцовой, отвечающей частотам порядка 1011 – 1012 Гц. Именно в данной области располагаются характерные энергии огромного числа явлений, представляющих интерес и в фундаментальном, и в прикладном отношениях, такие как сверхпроводимость, сегнетоэлектричество, мультиферроизм и др. Будут описаны современные методики и приборы, которыми располагает Лаборатория терагерцовой спектроскопии МФТИ, а также представлены самые свежие результаты, полученные коллективом Лаборатории, направления исследований и тематики для выполнения квалификационных работ.

5. Метаматериалы и шапки-невидимки, Дмитрий Филонов, зам. заведующего лабораторией радиофотоники
Кто не слышал про шапку-невидимку и основные принципы её работы? Скорее всего большинство, но возможно ли сделать её в реальности и почувствовать себя скрытым от всех сторонних глаз знаю? Ответы на эти вопросы будут даны на лекции, а также будут рассмотрены основные принципы, которым должна соответствовать идеальная шапка-невидимка, и методы изготовления на основе маскирующих покрытий и искусственно созданных материалов (метаматериалов). Бурное развитие данной области началось в конце ХХ века, когда начали появляться первые эксперименты с метаматериалами и структурами, позволяющими управлять электромагнитным излучением и делать объекты невидимыми.

6. RFID или радиочастотная идентификация, Дмитрий Филонов, зам. заведующего лабораторией радиофотоники
В настоящее время радиочастотная идентификация используется во многих областях, в том числе в платежных системах, биометрических идентификационных документах, логистике и др. Современная технология изготовления RFID-меток основана на прикреплении электронного элемента памяти к металлической антенне. В лекции будут освещены основные принципы работы радиочастотной идентификации, а также примеры работы данной системы.

7. Оптический пинцет — как контролировать движение миро и нано объектов? Павел Гинзбург, проф. Университета Тель-Авива и заведующий лабораторией радиофотоники
Возможность контролировать механическое движения микро и наночастиц посредством сфокусированных лазерных лучей открывает новые возможности для исследования многих фундаментальных явлений и их дальнейшего применения на практике. За это фундаментальное открытие Артуру Ашкину была присуждена Нобелевская премия по физике за 2018 год. С момента первочачального открытия и по сей день оптический пинцет является одним из наиболее часто используемых инструментов в биофизических исследованиях. Он позволяет измерять динамику наномасштабных процессов (например, сворачивание белков), контролировать и отслеживать силы на пико-ньютоновском уровне и многое другое. В лекции будут представлены последние достижения в области классической оптомеханики, охватывающие фундаментальные и прикладные исследования, с акцентом на достижения в области наномасштабных исследований.

8. Вторая квантовая революция, основанная на управлении взаимодействием легкой материи с наноструктурами, Павел Гинзбург, проф. Университета Тель-Авива и заведующий лабораторией радиофотоники
Первая квантовая революция основала новые правила описания физической реальности, выходящей за рамки понимания посредством существующих на то время классических законов физики. Цель второй квантовой революции, происходящей на данный момент, это использование квантовой реальности для практического применения, например, в квантовой криптографии, квантовых вычислениях и даже … в квантовой биологии?! Лекция осветит основные вехи в  области квантовых технологий в простой и доступной форме. Будут обсуждаться некоторые концепции квантовой электродинамики для задач плазмоники и метаматериалов, мотивирующие дальнейшие исследования в этой области.

9. Исследование локальных свойств электронов в топологических изоляторах, дираковских полуметаллах и сверхпроводниках, Владимир Пудалов, зав. отделом высокотемпературной сверхпроводимости и сверхпроводниковых наноструктур ФИАН
Сканирующая туннельная микроскопия (СТМ) и спектроскопия (СТС) являются мощными  методами визуализации электронных состояний вблизи поверхности, позволяя изучать их структуру с субатомным разрешением, менее 0.01A. Эти методы основаны на туннелировании электронов между исследуемой поверхностью и острием зонда через вакуумный зазор. Особенно важна роль этих методов для изучения состояний электронов на поверхности квантовых материалов — топологических изоляторов, дираковских полуметаллов, а также  сверхпроводников с нетривиальным типом и характером спаривания. В этих метриалах возникают особые квантовые поверхностные состояния защищенные симметрией обращения времени. Лекция начнется с объяснения физических принципов работы СТМ и физики квантовых материалов.

10. Туннельные эффекты в сверхпроводниках как ключ к пониманию фундаментальных механизмов, Татьяна Кузьмичева, высококвалифицированный старший научный сотрудник ФИАН
Носителем заряда в сверхпроводнике является пара электронов, обладающая энергией связи порядка нескольких миллиэлектронвольт; эта энергия называется сверхпроводящей щелью. Величина и температурная зависимость щели полностью определяет свойства сверхпроводника, в частности, то, при какой температуре материал перейдет в сверхпроводящее состояние, а его электрическое сопротивление обратится в ноль. Оказывается, что если сверхпроводящий образец разделить тонкой прослойкой изолятора, то пары электронов могут беспрепятственно его проходить, т.е. туннелировать через изолятор (эффект Джозефсона). Вольтамперная характеристика джозефсоновской структуры, а также других типов туннельных контактов на основе сверхпроводника позволяет с высокой точностью измерить сверхпроводящую щель и ее температурную зависимость. Наша группа использует уникальный метод создания туннельных структур, а получаемые результаты позволяют исследовать особенности сверхпроводящего состояния современных высокотемпературных сверхпроводников, имеющих большой потенциал для практических применений.

11. Современная наука о материалах. ARPES эксперимент, Павел Безотосный, высококвалифицированный младший научный сотрудник ФИАН
Электронная зонная структура различных материалов во многом определяет их свойства. Детальное изучение зонной структуры кристаллических твердых тел востребовано с точки зрения объяснения возникновения их свойств ввиду возможности управления ими различными внешними факторами. Кроме того, в настоящее время чрезвычайно актуально создание новых материалов с уникальными свойствами, которые могут быть применены в различных областях науки и техники. В этой связи, экспериментальное получение зонной структуры, и дальнейший ее анализ и сравнение с теоретическими данными являются востребованными задачами. В рамках лекции речь пойдет об основах ARPES эксперимента, позволяющего получить электронную зонную структуру. Также будет сделан обзор последних научных результатов в данной области, в том числе, полученных в Центре высокотемпературной сверхпроводимости и квантовых материалов им. В.Л. Гинзбурга в ФИАН.

12. Транспортные свойства топологически нетривиальных систем, Леонид Моргун, высококвалифицированный младший научный сотрудник ФИАН
В лекции будут последовательно рассмотрены квантовые поправки к проводимости, в частности, слабая локализация и слабая антилокализация. Слабой локализацией называется поправка к металлической проводимости, обусловленная волновыми свойствами электрона, проявляющимися при большом количестве упругих рассеивателей. Будут показаны способы вычисления квантовых поправок для систем малой размерности и способы обнаружения этих эффектов в эксперименте. На примере транспортных измерений топологических изоляторов будет продемонстрировано приложение полученных знаний к реальным экспериментальным данным на сложных системах.

13. Нарушение симметрии в топологические квантовых материалах, Александр Кунцевич, высококвалифицированный старший научный сотрудник ФИАН
В данной лекции я рассмотрю круг явлений, исследованием которых занимается моя научная группа, а именно как воздействие на твердотельную систему магнитного поля, температуры или внутреннего напряжения может радикально понизить ее симметрию и изменить свойства. Более конкретно будут обсуждаться т.н. нематические свойства электронной материи, возможность инициации топологического перехода одноосным сжатием, а также резкое появление новых свойств при создании ван-дер-Ваальсовых гетероструктур.

14. Наноразмерные терагерцовые антенны: управление светом на наномасштабе, Дмитрий Пономарев, заместитель директора по научной работе Института сверхвысокочастотной полупроводниковой электроники имени В.Г. Мокерова РАН
В последнее десятилетие произошел бурный рост источников и приемников терагерцового излучения, которые основаны на взаимодействии света с полупроводниковой подложкой. Однако эффективность такого рода приборов до сих пор не может преодолеть фундаментальный предел, связанный с преобразованием энергии фотонов света в электромагнитные колебания терагерцового диапазона. В лекции мы рассмотрим последние достижения в этой области науки, а также увидим, как создаются такие уникальные приборы “своими руками”.

15. C квантово-каскадными лазерами туда, где не ступала нога человека, Рустам Хабибуллин, ведущий научный сотрудник Института сверхвысокочастотной полупроводниковой электроники имени В.Г. Мокерова РАН
Данная лекция расскажет Вам о том, как ученые смогли победить рабство ширины запрещенной зоны в полупроводниках и освоить неизведанные ранее области электромагнитного спектра. Вы узнаете почему идея советских физиков о возможности усиления электромагнитных волн в полупроводниковой сверхрешетке так и не была реализована, и как спустя пол века стала вновь актуальной. Зачем в MIT, ETH, Harvard и других ведущих университетах мира функционируют лаборатории и научные центры по созданию квантово-каскадных лазеров, когда ждать уменьшения цен на данные “премиум-лазеры”, какое место Россия занимает в мире в данной тематике и многое другое будет рассказано в ходе лекции.