Кафедра квантовой механики готовит студентов по специальности физика (теоретическая физика).

20-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 20 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.

Начало исследований по квантовой механике в СПбГУ связано с именем одного из "отцов-основателей" этой науки - крупнейшего физика-теоретика 20 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.

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. В 2005 году нобелевская премия была присуждена за исследования по квантовой оптике, также входящей в сферу квантовой механики. Нобелевская премия 2012 года за измерение и управление отдельными квантовыми объектами также имеет непосрдественное отношение к атомной физике и квантовой оптике. Сюда же примыкает и такая "горячая точка" современной физики, как работы по теории и реализации квантовых компьютеров.

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. Другая область - изучение высоковозбужденных (ридберговских) состояний атомов и молекул. С принципиальной точки зрения они интересны тем, что высоковозбужденный электрон хорошо описывается квазиклассическими и даже классическими методами, образуя, таким образом, "мостик" между квантовой и классической механикой. Многие исследования на кафедре были посвящены поведению атомов, в том числе и ридберговских, во внешних электрических и магнитных полях.

Другой цикл работ посвящен проверке фундаментальных теорий методами атомной физики. В сознании широкой публики проверка фундаментальных теорий обычно связывается со строительством гигантских ускорителей. Но это далеко не единственный и часто не самый эффективный путь. Более того, многие важнейшие принципы современной квантовой теории частиц были впервые проверены именно в атомных экспериментах. На сегодняшний день атомные системы остаются самым эффективным инструментом проверки квантовой электродинамики - теории, соединившей в себе квантовую механику и теорию относительности. Одним из наиболее перспективных объектов исследований в этом направлении являются тяжелые многозарядные ионы. В отличие от нейтральных атомов, где точность расчетов сильно ограничена большими корреляционными эффектами, энергии таких ионов могут быть вычислены с очень высокой точностью в рамках квантовой электродинамики. В то же время в таких ионах электроны движутся в присутствии сильного кулоновского поля ядра. Это дает уникальную возможность проверки квантовой электродинамики в новой области - области сильного электрического поля. Прецизионные эксперименты и теоретические расчеты эффектов несохранения четности в атомах обеспечивают независимую проверку единой теории электрослабых взаимодействий. А поиск отличных от нуля электрических дипольных моментов электрона и нуклонов в атомно-молекулярных экспериментах является одним из основных инструментов проверки стандартной модели (современной теории, объединяющей электромагнитные, слабые и сильные взаимодействия) и отклонений различных ее модификаций.

Еще одно направление работ на кафедре связано с исследованием процессов, происходящих при столкновении различных атомных частиц, а также при их взаимодействии со светом. С принципиальной точки зрения в этих задачах мы имеем дело не со связанными состояниями систем (аналогичным финитному движению в классической механики), а с состояниями сплошного спектра, или континуума, аналогичными инфинитному движению. Это требует использования специального математического и теоретического аппарата. Полученные здесь результаты находят применение в физике лазеров, астрофизике, физике низкотемпературной плазмы. Начиная с 50-х годов на кафедре сформировалась школа, развивающая теорию электрон-атомных и атом-атомных столкновений, которая сейчас признана во всем мире. Одним из ее создателей был профессор Ю.Н. Демков (1926-2010). В мировую терминологию прочно вошли модели Демкова и Демкова-Ошерова, описывающие определенные типы неадиабатических переходов в квантовых системах. Были открыты новые явления (такие как изотопический эффект в резонансном диссоциативном захвате, биения в резонансной перезарядке, явления гигантской неупругой и упругой глории в атомных столкновениях и т. д.), развиты новые методы теории (метод комплексного параметра удара и конформного отображения, новые походы к решению обратной задачи рассеяния, адиабатическое приближение с использованием комплексного расстояния между ядрами сталкивающихся атомов, расширенная модель Ванье в задаче двойной фотоионизации, найдены точные решения в задаче о двух кулоновских центрах и в задаче о столкновении ридберговского атома с ионом и т. д.), 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. На кафедре широко исследуются новые эффекты (надпороговая ионизация, генерация высоких гармоник и т.п.), возникающие в случае высокоинтенсивного лазерного поля.

Теория электронной структуры твердых тел - это очень широкая область, которая охватывает как кристаллическое, так и некристаллические твердые тела. Эта теория описывает и объясняет различные свойства твердых тел (механические, электрические, оптические, магнитные и другие) и разнообразные протекающие в объеме и на поверхности процессы, в том числе и такие специальные, как природа электрического сопротивления, фазовые переходы, магнитное упорядочение, рост кристаллов, дефектообразование при воздействии температуры и излучений, коррозию и многие другие. Несмотря на долгую историю развития физики твердого тела, природа некоторых явлений до сих пор не получила детального объяснения. Последний пример - это явление высокотемпературной сверхпроводимости, которое было открыто Беднорцом и Мюллером в 1986 году. Термин "высокотемпературная" означает, что сверхпроводимость можно получить при использовании жидкого азота, который гораздо дешевле и доступнее жидкого гелия, необходимого при получении обычной сверхпроводимости. Поскольку с высокотемпературной сверхпроводимостью связывались большие надежды на техническое применение, это явление широко и интенсивно изучалось во всем мире и за пришедшие два десятилетия на эту тему написаны десятки тысяч статей. Были исследованы различные стороны этого явления, в частности, было установлено, что высокотемпературная сверхпроводимость связана с электронным состоянием кристаллических плоскостей, образованных ионами меди и кислорода, и что существенную роль здесь играют, так называемые, электронные дырки. Однако, механизм высокотемпературной сверхпроводимости до сих пор не выяснен и теория этого явления еще ждет своего открывателя. Это наиболее яркий пример нерешенной еще задачи физики твердого тела. Существует много других больших и малых нерешенных задач и физика твердого тела представляет широкое поле деятельности для теоретического исследования. Сотрудниками группы теории твердого тела было получено много важных результатов, в частности группе принадлежит соавторство в методе псевдопотенциала, широко используемого в современной теории электронной структуры многоатомных систем. В настоящее время ведутся интенсивные работы по моделированию химической связи в твердых телах с ковалентной связью. Это необходимо для исследования идеальных и, главным образом, дефектных твердых тел. В группе разработан строгий математический аппарат, соответствующий описанной модели. Сейчас разрабатывается программное обеспечение и производится расчет простейших систем. В группе производится также исследование спиновых систем - цепочек и плоскостей, в частности, их антиферромагнитное упорядочивание. Здесь не только рассматриваются общепринятые модели, но выводятся и исследуются более точные, а потому и более сложные, нелинейные, уравнения для спиновой волновой функции.

В настоящее время на кафедре работают 10 профессоров, 4 доцента, 1 старший преподаватель, 5 ассистентов, а также 8 научных сотрудников. 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 развивается международное сотрудничество, преподаватели и сотрудники приглашаются для совместных исследований в ведущие мировые научные центры и университеты.

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. Многие студенты включаются в международное научное сотрудничество и стажируются в зарубежных научных центрах. 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. В последние годы работы студентов кафедры публиковались в таких авторитетных международных журналах как Physical Review Letters, Physical Review A, Journal of Physics B, Оптика и Спектроскопия, Physics Letters A, European Journal of Physics D, Physica Scripta, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, Canadian Journal of Physics.