Исследование критических явлений в конденсированных средах теоретико-полевыми методамиНИР

Investigation

Источник финансирования НИР

госбюджет, раздел 0110 (для тем по госзаданию)

Этапы НИР

# Сроки Название
1 1 января 2016 г.-31 декабря 2016 г. Исследование критических явлений в конденсированных средах теоретико-полевыми методами
Результаты этапа: Все намеченные на этом этапе цели были достигнуты. Намеченные индикаторы также были достигнуты, результаты работы опубликованы в 5-ти научных публикациях в ведущих зарубежных рецензируемых научных журналах: 1) Aleksandr Ivanov, Aleksandr Novoselov, Oleg Pavlovsky "Relativistic path integral Monte Carlo: Relativistic oscillator problem" International Journal of Modern Physics C, том 27, № 11, с. 1650133-1-1650133-14 2) Buividovich P.V., Ulybyshev M.V. "Applications of lattice QCD techniques for condensed matter systems" International Journal of Modern Physics A, том 31, № 22, с. 1643008 3) Boyda D.L., Braguta V.V., Katsnelson M.I., Ulybyshev M.V. "Many-body effects on graphene conductivity: Quantum Monte Carlo calculations" Physical Review B, том 94, № 8, с. 085421 4) Buividovich P.V., Ulybyshev M.V. "Numerical study of chiral plasma instability within the classical statistical field theory approach" Physical Review D, том 94, № 2, с. 025009 5) A. Novoselov, O. Pavlovsky “Critical Charge in Gapped Graphene: the role of the screening of the interaction potential by $\sigma$-orbitals.” International Journal of Modern Physics B, Vol. 31 1750068 (2017) Основные результаты, полученные на данном этапе: 1) Найдены значения критического заряда для графена с массовой щелью. Массовая щель в графене генерируется из-за взаимодействия с определенной подложкой. Были исследованы подложки из нитрида бора и из карбида кремния. Была предложена принципиальная схема эксперимента по обнаружению явления критического заряда в графене с массовой щелью. 2) Был разработан детальный метод учета влияния диэлектрических свойств подложки на элетропроводящие свойства графена. Были исследованы подложки из нитрида бора и из карбида кремния. 3) Была построена модель, описывающая электрические и спиновые явления в графене в терминах чисел заполнения. Разработан метод Монте-Карло моделирования электронных свойств графена. 4) Были исследованы свойства графена в присутствии сильных внешних полей, исследовано влияние поля на массовую щель и определен ассоциированный с ней параметр порядка. Проведено сравнение с текущими экспериментальными данными. 5) Была исследована проводимость графена в зависимости от диэлектрической проницаемости подложки.
2 1 января 2017 г.-31 декабря 2017 г. Исследование критических явлений в конденсированных средах теоретико-полевыми методами
Результаты этапа: 1) Было исследовано влияние внешнего магнитного поля на величину критического заряда графена с массовой щелью. Показано, что расщепления уровня в магнитном поле может привести к образованию областей зарядовой плотности на поверхности графена с массовой щелью, обладающей преимущественным направлением спина, направленного по магнитному полю. По результатам исследования подготовлена статья, принятая в печать в журнале "Ядерная физика и инжинитинг". 2) Рассмотрена возможность использования свойств графена с массовой щелью для создания основы базовых элементов спинтроники. На основе эффекта критического заряда в сильном магнитном поле предложена схема создания спинового вентиля на основе графена с массовой щелью. По результатам исследования подготовлена статья, принятая в печать в журнале "Ядерная физика и инжинитинг". 3) Была исследована роль дефектов на фазовые свойства спиновых моделей. Показано, что термальные флуктуации спиновых моделей приводят к опосредованному взаимодействию между ними, аналогу эффекта Казимира в квантовой теории. С помощью метода Монте-Карло была рассчитана такая сила термального эффекта Казамира, возникающая между двумя отдельными дефектами. Оказалось, что эта сила максимальна на фазовом переходе. По результатам исследования подготовлена статья, принятая в печать в журнале "Ядерная физика и инжинитинг" и подготовлена бакалаврская квалификационная работа. 4) Исследованы критические силы Казимира, возникающие между дефектами структуры в средах конденсированного состояния вещества и нано-структурах. По результатам исследования подготовлены статьи, принятые в печать в журналах "Physics Letters", "European Physical Journal" и подготовлена бакалаврская квалификационная работа. 5) Исследовано влияние спиновых эффектов и дефектов структуры на фазовые свойства графена. Показано, что спин-спиновое взаимодействие оказывает существенное влияние на формирование экситонного конденсата и должно быть учитано в моделях экситонных возбуждений в графене. В процессе работы был создан уникальный авторский программный комплекс по Монте-Карло моделированию спиновой физике в графене. По результатам исследования подготовлена магистерская квалификационная работа. 6) Построено релятивистское обобщение метода PIMC для исследования уравнения состояния газа электронных возбуждений в графене с учетом физических потенциалов взаимодействия и диэлектрических свойств подложки. Построена теоретическая модель подложки, учитывающая расстояние листа графена до подложки и другие детали пролегания графена к подложке. По результатам исследования подготовлена магистерская квалификационная работа.
3 1 января 2018 г.-31 декабря 2018 г. Исследование критических явлений в конденсированных средах теоретико-полевыми методами
Результаты этапа: 1. Был исследован критический эффект Казимира в модели Изинга (решеточной модели воды) и в калибровочной модели Изинга. Получены величины казимировских сил, действующих на уединенные дефекты и дефектные линии. Был оценен вклад сил Казимира в процесс белкового фолдинга. Был детально исследован процесс коллапса дефектной линии под действием Казимировских сил. Получена собственная казимировская энергия дефектной линии. Она оказалась пропорциональной кривизне дефектной линии. По результатам опубликовано две статьи в зарубежных научных журналах (Phys.Lett.A и Eur.Phys.Jour.),а также статья в отечественном журнале "Ученые записки физического факультета Московского Университета". 2. Была исследована модель искусственной квантовой нейронной сети, основанной на двойных квантовых точках. Построены алгоритмы логических элементов, исследованы примеры сверточных сетей, осуществляющих распознавание объектов. Построены алгоритмы обучения квантовой нейронной сети. По результатам был подготовлен и опубликован в архиве препринт, подготовлена научная публикация, направлена в журнал.
4 1 января 2019 г.-31 декабря 2019 г. Исследование критических явлений в конденсированных средах теоретико-полевыми методами
Результаты этапа: 1. Исследован процесс распада дефектной линии под действием критических сил Казимира. Были изучены свойства дефектов в статистических моделях, описывающих двумерные материалы типа графен. Было показано, что форма дефектов ключевым образом влияет на взаимодействие дефектов в окрестности критической точки. Показано, что критический эффект Казимира может привести к эффектам самоорганизации дефектов. Была исследована аналогия между поведением дефектов в двумерных материалах и частицами в квантовой теории поля. Были изучены силы критического Казимира, возникающие между дефектом и дефектом, притянутым к дефектной линии, а также силы между анти-дефектом и дефектом. Показано, что потенциал казимировского взаимодействия такой системы имеет вид потенциала Юкавы, возникающий также и в ядерной физике при взаимодействии адронов. Результаты работы опубликованы в работе [1]. [1]. Мостовой С.Д., Павловский О.В., Particle-like behavior of defects near a defect line in 2D Ising model: Defect-antidefect pair production and interaction International Journal of Modern Physics B Vol. 33, No. 12 (2019) 1950117 2. Исследована модель искусственной квантовой нейронной сети, основанной на двойных квантовых точках. Исследованы критические явления в этой модели. С помощью метода Монте-Карло был проведен анализ работоспособности такой сети, возможности построения логических элементов и простых свёрточных сетей по распознаванию линий и цифр. Результаты работы докладывались на двух конференциях, тезисы войдут в сборники трудов этих конференций [2] и [3] . Готовится публикация. [2] Oleg Pavlovsky, Monte-Carlo simulation of the arifitial quantum neural network. Доклад на конференции «8th international conference on New Frontier in Physics (ICNFP 2019)» [3] Новосёлов А.А., Павловский О.В., Дорожинский В.И., Квантово-механическая модель элементов нейронной сети. Доклад на молодежной конференции по теоретической и экспериментальной физике (МКТЭФ-2019), Москва, НИЦ “Курчатовский институт” – ИТЭФ, Россия. 3. Исследована калибровочная U(1) решеточная модель с внешним топологическим химическим потенциалом. Показано условие формирования кристалла из вортексов модели. Показано, что топологичекий химический потенциал приводит к формированию кристалла из топологических вортексов модели. Построена фазовая диаграмма модели. Результаты работы докладывались на конференции, тезисы войдут в сборники трудов конференции [4]. Готовится публикация. [4] Мостовой С.Д., Павловский О.В., Кристаллы топологических вихрей в компактной электродинамике. Доклад на молодежной конференции по теоретической и экспериментальной физике (МКТЭФ-2019), Москва, НИЦ “Курчатовский институт” – ИТЭФ, Россия.
5 1 января 2020 г.-31 декабря 2020 г. Исследование критических явлений в конденсированных средах теоретико-полевыми методами
Результаты этапа: В этом году были рассмотрены задачи физики графена и графеновых нанолент, а также задачи влияния химического потенциала на фазовые состояния теоретико-полевых моделей и моделей конденсированного состояния вещества. Была исследована задача о зонной структуре графеновых нанолент. С помощью диагонализации гамильтониана сильной связи графена было показано, что существование запрещенной зоны зависит как от ширины ленты, так и он топологии границ ленты [2, 7]. Также была исследована интересная задача о новых фазовых состояниях компактной электродинамики с внешним топологическим химическим потенциалом. Хорошо известно, что фазовое состояние компактной электродинамики (как и решеточной глюодинамики) зависит от концентрации топологических вортексов. Ранее было показано, что если с помощью отрицательного топологического потенциала подавить вероятность рождения топологических дефектов, то конфайнмент в модели исчезает. В работе было показано, что увеличение концентрации топологических дефектов приводит к усилению конфайнмента, а затем к формированию нового фазового состояния модели – топологического кристалла, состоящего из топологических вортексов [1, 5]. Квантовые модель Хаббарда с внешних химическим потенциалом была рассмотрена в работе [6]. Модель Хаббарда на гексагональной решетке возникает при исследовании электронных свойств графена. Введение химического потенциала крайне интересна, так как позволяет достичь тройной точки в модели. В окрестности этой точки теоретически ожидается переход графена в сверхпроводящее состояние. Проверить это предположение можно было бы с помощью Монте-Карло моделирования, но этому мешает проблема знака. Решению этой проблемы посвящена работа. Проблему знака предлагается решать с помощью метода тимблов Лефшица. Поиск тимблов и Седловых точек модели предлагается осуществить с помощью специально обученной нейронной сети. Удалось показать, что методы машинного обучения в данной проблеме приводят к существенному ускорению алгоритмов. В работах [3, 4] была рассмотрена квантово-механическая модель искусственной нейронной сети, построенной на основе двойных квантовых ям (стохастических нейронов). Такие двойные ямы могут быть реализованы технологически с помощью дефектов структуры графена. Квантовая модель таких стохастических нейронов может быть исследована с помощью Монте-Карло моделирования. Исследовались вопросы пропускной способности нейронной сети, возможности построения на ее основе базовых логических элементов и сверточных сетей. Результаты работы были опубликованы в 7 статьях в научных журналах из списка ВАК. По материалам исследований было защищено 2 магистерские диссертационные работы и 3 курсовые работы. На данном этапе были получены следующие результаты: 1. Показана критическая зависимость зонной структуры графеновых нанолент как от ширины лент, так и от топологии границы ленты 2. Показано, что внешний топологических химических потенциал приводит к усилению конфайнмкента в компактной электродинамике. Более того, рост концентрации топологических вортексов приводит к формированию нового состояния модели – кристалла топологических вортексов. Получена фазовая диаграмма модели по температуре и величине топологического химического потенциала. 3. Была исследована квантовая модель Хаббарда на гексагональной решетке с внешним химическим потенциалом. Показано, что моделирование модели препятствует проблема знака. Показано, что проблема может быть существенно облегчена с помощью метода тимблов Лефшица с применением методов машинного обучения, которые производят поиск как самих тимблов, так и Седловых точек модели. 4. Показано, что искусственная стохастическая нейронная сеть может быть построена на основе двойных квантовых ям. Было предложено создавать такие искусственные стохастические нейроны на основе двойных дефектов структуры графена. С помощью Монте-Карло моделирования показано, что проводимость сигналов нейронной сети критически зависит от коэффициента связи нейронов. Опираясь на это явление удолось создать модель для базовых логических элементов, реализованных на основе таких сетей, а также сверточных сетей распознавания образов. Результаты опубликованы в 7-ми научных публикациях в журналах из списка ВАК. 1. Crystals of Topological Vortices in Compact Electrodynamics Mostovoy S.D., Pavlovsky O.V. в журнале Physics of Atomic Nuclei, том 83, № 12, (2020) 2. Electronic Properties of Graphene Nanoribbons Lukomskaya M.V., Pavlovsky O.V. в журнале Physics of Atomic Nuclei, том 83, № 12 , (2020) 3. Quantum-Mechanical Model of Neural Network Elements Novoselov A.A., Pavlovsky O.V. в журнале Physics of Atomic Nuclei, том 83, № 12, (2020) 4. Квантовомеханическая модель элементов нейронной сети Новоселов А.А., Павловский О.В. в журнале Ядерная физика и инжиниринг, том 11, № 6, (2020) 5. Кристаллы топологических вихрей в компактной электродинамике Мостовой С.Д., Павловский О.В. в журнале Ядерная физика и инжиниринг, том 11, № 6, (2020) 6. Применение нейронных сетей для решения проблемы знака в физических моделях Улыбышев М.В., Дорожинский В.И., Павловский О.В. в журнале Физика элементарных частиц и атомного ядра, том 51, № 3, с. 381-412, (2020) 7. Электронные свойства графеновых нанолент Лукомская М.В., Павловский О.В. в журнале Ядерная физика и инжиниринг, том 11, № 6, (2020)
6 1 января 2021 г.-31 декабря 2021 г. Исследование критических явлений в конденсированных средах теоретико-полевыми методами
Результаты этапа:
7 1 января 2022 г.-31 декабря 2022 г. Исследование критических явлений в конденсированных средах теоретико-полевыми методами
Результаты этапа:
8 1 января 2023 г.-31 декабря 2023 г. Исследование критических явлений в конденсированных средах теоретико-полевыми методами
Результаты этапа:

Прикрепленные к НИР результаты

Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".