Аннотации к лекциям, читаемым на 5 курсе кафедры квантовой оптики и нанофотоники

Лазерная спектроскопия

Лекторы, д.ф.-м.н., профессор Макаров Александр Аркадьевич

и  к.ф.-м.н., доцент Мельников Алексей Алексеевич

Спектроскопия это наука об исследовании квантовых объектов с помощью света. Долазерные методы ограничивались эмиссионной спектроскопией, абсорбционной спектроскопией и спектроскопией комбинационного рассеяния. Предмет данного курса - это не столько повышение эффективности классических подходов с помощью лазеров (хотя в некоторой малой степени и это тоже), сколько наука о новых методах, которые стали возможны только в результате появления лазеров. Курс даёт знания о фундаментальных процессах в спектроскопии (в основном, 1-ое полугодие) и о методах (в основном, 2-ое полугодие), позволяющих решать задачи, требующие (а) высокой чувствительности, (б) высокой селективности, (в) высокого спектрального разрешения, (г) высокого временнóго разрешения. Лекции логически развивают курс "Методы современной экспериментальной физики и спектроскопии”, читаемый на 3 курсе бакалавриата, и конкретизируют в качестве актуальных примеров некоторые специфические пункты курсов “Введение в квантовую оптику”, “Атомная спектроскопия” и “Молекулярная спектроскопия”, читаемых на 4 курсе бакалавриата.

Приставка милли пришла из латыни, микро и нано — из греческого, пико — из испанского, фемто и атто — из языков Скандинавии. Слово нанометр знает сейчас любой, но мало кто представляет себе его в натуре. В ядерной физике вместо фемтометра для размера ядер используют единицу измерения Ферми.

Иллюстрация относится к одной из наиболее актуальных тем — лазерной спектроскопии динамических процессов в атомах, молекулах, конденсированном состоянии, используемой также для диагностики химических и биохимических процессов. В эксперименте решение задач опирается на технику, которая называется “Pump–Probe” (на русский язык можно было бы перевести как «накачка–зондирование»). Постановка эксперимента заключается в возбуждении системы лазерным импульсом, чтобы затем с контролируемой временнóй задержкой другим лазерным импульсом осуществить измерение тех изменений, которые произошли в состоянии системы. Естественно, выбор лазеров зависит от конкретной задачи, точнее от присущей ей характерной временнóй шкалы. Диапазон времён простирается от миллисекунд до аттосекунд, как это показано на рисунке. Соответственно в современной лаборатории имеется арсенал самых разнообразных лазеров, отличающихся как длительностью импульса, так и длиной волны излучения.

Рисунок требует пояснений. В центре Вы видите шкалу от относительно больших времён, доступных фото- и киносъёмке, до времён настолько малых, что невозможно представить себе, каким образом их можно «почувствовать». Именно лазер и только лазер дан нам как средство, позволяющее проникнуть внутрь времени. В прямоугольники заключены обозначения физических явлений, чаще ориентировочные. Проекции прямоугольников на временную шкалу показывают их (явлений) примерные границы. Красные кружки на шкале относятся к наиболее характерным временам, наблюдаемым в конкретных, известных нам экспериментах. Изучив рисунок, Вы поймёте, насколько масштабным в целом является приложение лазерной спектроскопии к решению физических проблем.

И это далеко не всё, о чём Вы узнаете, придя к нам на кафедру!

Молекулярная физика и спектроскопия

Лектор, д.ф.-м.н., профессор Сурин Леонид Аркадьевич

Спектры молекул дают уникальную информацию о строении и свойствах веществ, которую можно использовать для точного определения состава атмосферы планет и межзвездной среды, для анализа причин глобального потепления и оценки толщины озонового слоя Земли, детектирования примесей в чистых газах и жидкостях, обнаружения отравляющих и взрывоопасных веществ, для изучения биологической активности молекул и т.д. Курс рассматривает физические явления, приводящие к возникновению спектров поглощения, испускания или рассеяния молекул, структуру этих спектров, обусловленную вращениями, колебаниями и изменениями электронного состояния молекул, а также вопросы постановки эксперимента, устройства различных типов спектрометров, методы обработки данных.

Основы нанофотоники

Лектор, д.ф.-м.н., профессор Вайнер Юрий Григорьевич

Годовой курс “Основы нанофотоники” посвящен изложению основ современной физики и оптики наноразмерных систем и знакомству слушателей с перспективными приложениями в этой быстроразвивающейся области. Курс носит междисциплинарный характер и начинается с краткого изложения основных положений классической электродинамики и основ квантовой теории, важных для понимания излагаемого материала. Лекции включают знакомство с такими фундаментальными для нанооптики понятиями и явлениями, как ближнее оптическое поле и эванесцентные волны, размерное квантование, эффект Парселла, поверхностный и локализованный плазмонный резонанс и др. Даются знания об оптических свойствах и возможных применениях таких важных для нанофизики и нанотехнологий объектов, как точечные квантовые излучатели и нанозонды (одиночные флуоресцентные молекулы, полупроводниковые квантовые точки, металлические наночастицы, NV-центры в алмазе и др.), нанокристаллы (в том числе апконвертирующие нанофосфоры), фотонные кристаллы, микрорезонаторы и многие др. Уделяется специальное внимание рассмотрению нанообъектов биологической природы: вирусы, внутримолекулярные везикулы, экзомомы и др. Подробно рассматриваются экспериментальные методы, микроскопии, широко используемые для диагностики нанообъектов: электронная, ионная, туннельная, атомно-силовая и др. Излагаются принципы методов современной оптической микроскопии сверхвысокого пространственного разрешения, рассматриваются основы спектроскопии одиночных молекул при низких и высоких температурах и её применения.

Шкала типичных размеров биологических объектов

Спектроскопия конденсированных сред

Лекторы, д.ф.-м.н., профессор Мальшуков Анатолий Германович

и  к.ф.-м.н., доцент Соколик Алексей Алексеевич

Курс познакомит вас с основными моделями физики взаимодействия света с веществом и даст широкий обзор современной спектроскопии твердотельных материалов и наноструктур. Вы узнаете, какие величины определяют электромагнитный отклик материалов, как их вычислять, каким закономерностям они подчиняются, и как эти знания используются в современной спектроскопии для более глубокого анализа экспериментальных данных, чем просто «определить положения и ширины спектральных линий». Будут рассмотрены электронные и оптические свойства современных квантовых материалов, таких как графен, топологические изоляторы, дираковские и вейлевские полуметаллы, двумерные дихалькогениды переходных металлов. Мы увидим, почему масса электронов в графене равна нулю, в чем состоит нетривиальность топологии квантовых состояний топологических изоляторов, какие новые материалы и наноструктуры наиболее активно изучаются в последние годы и почему. Особое внимание будет уделено применению таких современных экспериментальных методов, как сверхбыстрая накачка с зондированием и фотоэлектронная спектроскопия с угловым разрешением.

Физика квантовой информации

Лектор, к.ф.-м.н., доцент Владимирова Юлия Викторовна

Основная задача курса – познакомить слушателей с бурно развивающейся областью науки и технологии на стыке квантовой физики и компьютерных наук – квантовыми вычислениями. В последние годы квантовые вычислительные устройства постепенно выходят из физических лабораторий и становятся прикладными разработками, которыми занимаются ведущие IT-компании мира. Квантовые алгоритмы из абстрактных теоретических конструкций превращаются в прикладные инструменты, предназначенные для решения сложных вычислительных задач. Понимание реального положения дел в данной области важно для того, чтобы с одной стороны не пасть жертвой завышенных ожиданий, а с другой стороны не поддаваться на провокации скептиков. Данный курс ставит своей целью создать у слушателей теоретическую базу в области квантовых вычислений в достаточном объеме для того, чтобы позволить им самостоятельно разбираться в современных работах по этой тематике. В курсе будут рассмотрены основные понятия квантовой теории информации, базовые квантовые алгоритмы, основные протоколы квантовой связи, а также основные направления экспериментальных разработок.