Что случилось в физике конденсированного состояния за вторую половину ее существования

[flying_bear]

(если считать условно с работы Эйнштейна по квантовой теплоемкости, то есть, с 1907 года, ну и потом еще десять лет кинуть на Дебая, Борна и фон Кармана, то рубеж между первой и второй половиной получается примерно в районе 1970-1972 года).

В связи с постоянными обсуждениями - есть ли реальный прогресс в науке после 1970, что происходит в современной науке и т.п. В произвольном порядке, не по степени важности.

1. Произошла смена ключевых понятий. Если в первой половине ее существования ключевое слово в нашей науке "квазичастица", то во второй - "класс универсальности". Тем самым, упор перенесен на коллективное поведение, на emergence, на скейлинговые законы, на, если угодно, (относительную) независимость феноменологии от микроскопики.

2. Появились nanoscience and nanotechnology. Нет, этот пост не проплачен условным Чубайсом. Квантовые точки, нанотрубки, графен и, самое главное, scanning probe microscopy и возможность манипулировать с отдельными атомами действительно существуют, и это открыло целый новый мир.

3. Появилась реальная возможность рассчитывать многие свойства реальных материалов, и даже предсказывать их. Впервые наша наука стала реально количественной.

4. Был открыт целый мир систем с нарушенной эргодичностью, типа спиновых стекол, лежащий между равновесным и неравновесным. Андерсоновская локализация была открыта в 1958 году, но все ее значение раскрылось только начиная с 1970х-1980х.

5. Использование синхротронного излучения и, в самое последнее время, лазеров на свободных электронах полностью перевернуло наши представления о возможностях спектроскопии.

6. Функциональные интегралы вытеснили операторные методы и стали основным языком в квантовой теории многих частиц. Это привело как к созданию принципиально новых и очень эффективных аналитических методов, так и к появлению и широкому распространению квантового метода Монте Карло. То, что мы знаем и понимаем сейчас про многочастичные системы, абсолютно несопоставимо с тем, что было известно в 1970 году.

7. Открытие высокотемпературной сверхпроводимости и сверхтекучести гелия 3 резко расширило наши представления о возможном и невозможном в этой области физики. Мы больше не циклим на теории БКШ и электрон-фононном механизме.

8. Совершенно новое состояние вещества - ультрахолодные газы в оптических решетках. Еще один новый мир.

Наверняка, список неполный, но, по-моему, достаточный, чтобы утверждать, что наша наука драматически изменилась за последние полвека. Что привело и к приобретениям, и к потерям, но это отдельный разговор.

UPDATE 9. Совершенно правильно напомнили - забыл про квантовый эффект Холла. Топологическое состояние материи, как правильно замечают - не баран чихнул.

Comments

[mindfactor.livejournal.com]

а что за потери ?
можете раскрыть ?

[flying-bear.livejournal.com]

Потом. Это серьезная работа.
Будем считать, что заявка принята, напишу, как смогу.

[mindfactor.livejournal.com]

спасибо

[flying-bear.livejournal.com]

Если в двух словах, без подробностей и аргументов - стало очень легко делать научные работы, которые, как те елочные игрушки из анекдота - очень похожи на настоящие, но не радуют.

[lemeshko.livejournal.com]

Кстати, пролистывая PRL, шутка Швингера о Фейнмановских диаграммах и персональных компьютерах кажется совсем не смешной.

[flying-bear.livejournal.com]

Да, я об этом. Там, кажется, в оригинале "кремниевый чип". А вместо "фейнмановских диаграмм" я бы сейчас поставил "AdS/CFT", или, к примеру, "алгебраическую топологию для бедных". Но принцип остается. Чем больше прогресс в матаппарате, тем больше возможностей надувать щеки на пустом месте.

[ivanov-petrov.livejournal.com]

если будет возможность - вот это _(относительную) независимость феноменологии от микроскопики._ был бы рад, если поясните. Хоть как-то - конечно, не математикой, которую не пойму. Но, конечно, если это требует заметного времени, просьбу снимаю

[flying-bear.livejournal.com]

Поведение физических свойств вблизи точек фазовых переходов (точнее, критических точек) не зависит от деталей взаимодействий и моделей, а зависит только от размерности пространства и характера симметрии системы. Это утверждение-прототип. Обычно такого рода универсальность связана с фрактальностью изучаемых объектов - что наверху, то и внизу, куча детальной информации о системе оказывается несущественной для ее описания на пространственных масштабах много больших межатомного расстояния. Математически, это соответствует обычно предположению о существовании "фиксированной точки ренорм-группы". Это своего рода аттрактор, свойства системы определяется им, а не начальным состоянием. Своего рода эквифинальность. Буду рад объяснить подробнее, но проще в процессе диалога, а не вываливать кучей всю информацию сразу.

[starshoi.livejournal.com]

Это, кстати, применимо и к области, в которой я работаю, оптимизация сложных систем. Там тоже практически все определяется размерностью, а начальное состояние может только повлиять на локальный экстремум, который обнаруживается с помощью наших эвристик. Мы используем экономические модели для приведения системы в желаемое состояние. Хорошо выбранная апроксимация ценовой функции позволяет нам игнорировать множество несущественных деталей.

[starshoi.livejournal.com]

Но тоже бы с удовольствием выслушал ваши более детальные рассуждения. Когда представится возможность, естественно

[flying-bear.livejournal.com]

Конечно. А о чем конкретно?

[starshoi.livejournal.com]

О правильном выборе уровня абстракции при описании взаимодействия сложных систем. Я где-то (сейчас не помню где) у вас видел рассуждения на эту тему. Ни в коем случае не хочу вас отвлекать, просто эти темы меня тоже профессионально интересуют, хотя и в значительно более прикладном варианте, применимом для оптимизации распределения ресурсов.

[flying-bear.livejournal.com]

Тогда давайте попозже. Имеет некоторое отношение к некоторым текущим проектам, но там надо еще продвинуться.

[burivykh.livejournal.com]

Я попробую добавить пару слов (надеюсь, flying_bear меня поправит, если я совру).

Вот если взять магнит (ферромагнетик) и начать нагревать, то при нагреве он свои магнитные свойства будет терять. И при вполне конкретной температуре T_c (она называется точкой Кюри вещества) их потеряет полностью.

Давайте посмотрим, как ведет себя (неважно-как-измеряемая) способность вещества намагничиваться при подходе к этой самой точке. Оказывается, убывание будет по степенному закону, константа на (T_c-T)^β.

Естественно, что температура и константа зависят от материала, у железа одни, у никеля другие. А вот показатель степени β (более-менее) универсален, то есть (более-менее) одинаков для разных материалов.

При этом можно было бы себе представить решение этой задачи "снизу" — вот у нас есть до фига (число Авогадро, плюс-минус порядок-другой) атомов, они взаимодействуют так-то, спины, магнитные моменты, и так далее. Это и есть микроскопика, и она определяет конкретную температуру фазового перехода, конкретную константу, насколько сильно материал можно намагнитить, ну и так далее.

Но выясняется, что что бы ни жило на "атомарном" масштабе, на нашем масштабе мы всегда будем видеть одно и то же. Что при уменьшении масштаба, когда мы мысленно убираем электронный микроскоп/лупу, возвращаясь от атомарных масштабов к нашим, поведение системы "ложится" на один и тот же универсальный сценарий. Точно так же, как есть один-единственный сценарий рождения вещественных корней у многочлена, у которого мы "подкручиваем" коэффициенты: его график в критический момент касается оси абсцисс, и сразу за этим от точки касания разбегаются два новорожденных вещественных корня.

[flying-bear.livejournal.com]

Да, спасибо! Важно еще отметить, что такого рода универсальность сама до некоторой степени универсальна и очень разные (на первый взгляд) явления, такие как сворачивание полимерной цепи в растворе в клубок, или сход лавин, описываются законами подобия, сходными с теми, что описывают переход ферромагнетика в упорядоченное (спонтанно намагниченное) состояние.

[buddha239.livejournal.com]

Прошу прощения за то, что прокомментирую не по существу дела (в котором я не разбираюсь): если физика конденсированного состояния началась в 1907 (а то, что было до того - совсем не серьезно?), то почему вторая половина началась в 1970?

[flying-bear.livejournal.com]

Ну, первые пятнадцать лет там было очень медленное развитие, как условную дату начала можно принять и 1917. До этого не было квантовой физики, а без нее конденсированное состояние обсуждать невозможно. Была кристаллография как раздел математики (полная классификация пространственных групп Федоровым и Шенфлисом в конце девятнадцатого века), но физикой я бы это не назвал.

[buddha239.livejournal.com]

Тогда почему середина не в 1967?:)

[flying-bear.livejournal.com]

Можно и в 1967, это ничего принципиально не изменит.

[leblon.livejournal.com]

Я бы добавил Квантовый Эффект Холла. Это не комар чихнул.

[flying-bear.livejournal.com]

Да, конечно. Я просто забыл. Спасибо.

[filin.livejournal.com]

Квазикристаллы?

[flying-bear.livejournal.com]

Да, наверно. Но, на мой личный вкус, не так радикально, как перечисленное.

[p-k-zombie.livejournal.com]

6: скорее распространение непертурбативных методов, а уж конкретная форма - операторы или функциональные интегралы дело вкуса. С Латтинжеровской жидкостью можно с операторами прекрасно работать.

В пандан к неэргодичности - дихотомия Eigenstate thermalization hypothesis vs Multibody localization.

[sasha-br.livejournal.com]

Спасибо большое!
Два вопроса:
1) Не знаете ли Вы каких-то хороших учебных текстов про квантовый эффект Холла, расчитанных скорее на математическую аудиторию? Можно предполагающих физическое образование, но чтобы топологические термины назывались своими именами, а не прятались под ковёр? (это я про программу магистратуры по матфизике в Вышке думаю).

2) Что Вы думаете про вот это? https://arxiv.org/abs/1510.07698

[flying-bear.livejournal.com]

1) Я не знаю хороших учебных текстов про эффект Холла даже рассчитанных на физическую аудиторию. Что касается математиков, два имени, которые у меня ассоциируются с квантовым эффектом Холла, это Jean Bellissard и Emil Prodan, можно попытаться поискать. У обоих много находится в архиве, может, что-то носит достаточно учебный характер. В частности, Беллисар применял к квантовому эффекту Холла некоммутативную геометрию...

2) Ничего не думаю. Прочитал в свое время, в одно ухо влетело, в другое вылетело. Там не обсуждаются какие-то проблемы, важные и интересные с точки зрения нашей науки, а в остальном я некопенгаген.

[fizik-teoretik.livejournal.com]

Из рассчитанных на физиков очень приличным кажется курс лекций Дэвида Тонга: https://arxiv.org/pdf/1606.06687v1.pdf

Читал только отдельные места, так что за весь текст не поручусь, но по ощущениям гораздо более приятное и педагогичное чтение, чем старые лекции/обзоры.

[flying-bear.livejournal.com]

О! И правда хорошая ссылка. По своему опыту знаю, что каноническая книга под редакцией Prange and Girvin бесполезна почти абсолютно.

[komprendre.livejournal.com]

Может Вы знаете о какой нибудь попытке передать похожие знания, об общем состоянии фронтов, для не-специалистов?
Так чтоб очень примерно узнать какие основные задачи, и какой ожидается выход наружу - в виде например новых материалов, процессов или приборов.
В любом случае очень интересно, даже когда непонятно )

[flying-bear.livejournal.com]

А у меня для специалистов, да? Тогда не знаю.

[alef-grizley.livejournal.com]

Спасибо за отдельно упоминание scanning probe microscopy (как раз за ним сейчас сижу, приятно было увидеть - а то каждый первый путает его с электронным микроскопом и приходится долго объяснять в чем отличие, от самых азов, хотя это про биологов скорее)