Кафедра квантовой механики
Кафедра квантовой механики готовит студентов по специальности физика (теоретическая физика). XX-й век ознаменовался появлением двух величайших физических теорий, радикально изменивших наши представления о пространстве и времени - теория относительности - и о микромире - квантовая механика. Последняя позволила объяснить строение атомов, ионов, молекул, жидкостей, твердых тел и отчасти атомных ядер, то есть почти весь микромир. Кроме того, квантовая теория позволила радикально изменить наш взгляд на соотношения объект - прибор и наиболее глубоко продвинуться в этом направлении.
Основные принципы квантовой механики как раздела теоретической физики сформировались в "героический период", в двадцатые годы XX века. Уравнения квантовой механики (дополненные эффектами теории относительности) являются в принципе точными, но чрезвычайно сложными для решения. Возникающие здесь проблемы облегчаются современным бурным развитием вычислительной техники, однако их решение отнюдь не сводится к компьютерному программированию. Выбор подходящего приближения, качественный анализ составляют содержательную и интересную задачу для физика-теоретика.
Работы по атомной и молекулярной физике в настоящее время составляют значительную часть всех исследований по физике. В качестве иллюстрации укажем, что в международном журнале Physical Review секция А, посвященная этому разделу физики, составляет примерно 20% от полного объема. Нобелевская премия по физике за 2001 год присуждена за исследования бозе-эйнштейновской конденсации, находящиеся в сфере атомной физики. Сюда же примыкают и другие "горячие точки" современной физики, такие как квантовая оптика и работы по теории и реализации квантовых компьютеров.
Начало исследований по квантовой механике в СПбГУ связано с именем одного из "отцов-основателей" этой науки - крупнейшего физика-теоретика XX века академика В.А.Фока. Это имя навечно вписано в обиходный словарь квантовой физики, в частности, метод Хартри-Фока лежит в основе практически всех исследований сложных атомов и молекул и твердых тел.
В настоящее время на кафедре представлены все направления приложений квантовой механики к атомной и молекулярной физике и примыкающим к ним задачам физики твердого тела. Прямым продолжением работ В.А.Фока являются исследования по теории атомов, молекул, их взаимодействию с внешними полями. Дело в том, что приближение Хартри-Фока описывает движение электрона в усредненном (самосогласованном) поле других электронов и атомных ядер. Уточнение этого приближения (учет межэлектронных корреляций) в различных ситуациях остается актуальной задачей.
Другой цикл работ посвящен учету эффектов теории относительности в квантовой механике - квантовой электродинамике. Границы ее применимости до сих пор не вполне ясны, так что работа здесь связана с выяснением границ между известным и непознанным. Решение этой важнейшей фундаментальной задачи в сознании широкой публики обычно связывается со строительством гигантских ускорителей. Но это не единственный путь, поскольку многие принципиальные эффекты могут проявляться в атомных и молекулярных спектрах, где они гораздо легче доступны для экспериментального исследования.
Еще одно направление работ на кафедре связано с исследованием процессов, происходящих при столкновении различных атомных частиц, а также при их взаимодействии со светом. Полученные здесь результаты находят применение в физике лазеров, астрофизике, физике низкотемпературной плазмы. Начиная с 50-х годов, на кафедре сформировалась школа, развивающая теорию столкновений атомов и электронов, которая сейчас признана во всем мире. Нами были открыты новые явления и новые методы расчетов и выполнены работы по заказу различных организаций, занимающихся физикой плазмы, верхними слоями атмосферы, химическими реакциями и т.п. Сюда же примыкают исследования по теории взаимодействия атомов и молекул с электромагнитным излучением.
Другим перспективным направлением теоретических исследований на нашей кафедре является изучение электронного строения и физических свойств идеальных кристаллов и кристаллов содержащих примеси. Твердые тела, как наиболее сложные объекты в природе отличаются чрезвычайным разнообразием необычных физических свойств: сегнето-, пьезо- и пироэлектричество, ферро- и антиферромагнетизм, магнетооптические и магнетоэластические фазовые переходы, классическая и высокотемпературная сверхпроводимость. Последовательных квантово-механических теорий большинства из этих явлений не существует и по сей день. Для их создания необходимо, в первую очередь, уметь рассчитывать электронную структуру кристаллов с высокой точностью, а во вторую, извлекать из результатов этих расчетов информацию о физических свойствах. Методы квантовой механики в применении к твердому телу, которые разрабатываются на кафедре, в частности метод псевдопотенциала, получили широкое международное признание и вошли в учебники по физике твердого тела.
В настоящее время на кафедре работают 7 профессоров, 3 доцента, 1 ассистент, а также 10 научных сотрудников (5 докторов и 5 кандидатов наук). Работы преподавателей и сотрудников кафедры пользуются широким признанием. Они публикуются в наиболее престижных отечественных и международных журналах, книги переиздаются в переводе на английский язык. В последние годы широко развилось международное сотрудничество, преподаватели и сотрудники приглашались для научной работы в страны Европы, США, Японию, Австралию, получали отечественные и международные гранты для своих исследований.
Наряду с общетеоретическими дисциплинами студенты кафедры слушают многочисленные спецкурсы по приложениям квантовой механики. Поскольку в наше время теоретическая работа подразумевает широкое использование компьютеров, студенты получают хорошую подготовку в этой области, что расширяет возможности дальнейшего трудоустройства. Все выпускники кафедры, проявившие склонность и способности к научной работе, имеют возможность продолжить обучение в аспирантуре СПбГУ. Высокий уровень подготовки студентов и международный авторитет кафедры делают ее выпускников востребованными на международном уровне. В последние годы значительная доля выпускников продолжает обучение в аспирантурах зарубежных университетов. Другие включаются в международное научное сотрудничество, обучаясь в аспирантуре СПбГУ, получают после ее окончания временные (т. н. постдоковские) позиции за рубежом.
Выпускные работы студентов (бакалаврские и магистерские), как правило, сопровождаются публикациями в научных журналах. Приведем в качестве примера темы некоторых работ последних лет: "Теория g-фактора многозарядного иона с ненулевым спином ядра", "Сверхтонкая структура возбужденных состояний литиеподобных ионов", "Электронная структура кристалла ВeО", "Особенности рассеяния на малые углы и каналирование заряженных частиц в кристаллах". В 2001 г. в журнале Physical Review Letters, который многими рассматривается в настоящее время как наиболее престижный в физике, были опубликованы две статьи, соавторами которых были студенты: "Анизотропия естественного профиля линий для водородоподобного атома" и "КЭД расчеты межэлектронного взаимодействия в двух- и трехэлектронных атомах".