Projekti / Programi
Teorija trdnih snovi in statistična fizika
01. januar 2022
- 31. december 2027
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 1.02.00 |
Naravoslovje |
Fizika |
|
| 1.07.00 |
Naravoslovje |
Računalniško intenzivne metode in aplikacije |
|
| Koda |
Veda |
Področje |
| 1.03 |
Naravoslovne vede |
Fizika |
večdelčni kvantni sistemi, transportne lastnosti, močno korelirani sistemi, frustrirani sistemi, elektronsko fononska sklopitev, neravnovesna dinamika, termalizacija, zlom ergodičnosti, časovno ločljiva spektroskopija, sintetični kvantni sistemi, topološka stanja, samoorganizirina kritičnost
Podatki za zadnjih 5 let (citati za zadnjih 10 let) na dan
18. april 2024;
A3 za obdobje
2018-2022
| Baza |
Povezani zapisi |
Citati |
Čisti citati |
Povprečje čistih citatov |
| WoS |
687 |
18.871 |
15.939 |
23,2 |
| Scopus |
688 |
19.653 |
16.679 |
24,24 |
Raziskovalci (27)
Organizacije (2)
Povzetek
Program je namenjen teoriji fizike trdne snovi in kompleksnih sistemov. Naš glavni cilj je razložiti in napovedati nove fizikalne pojave z razvojem in uporabo novih metodologij, zlasti numeričnih tehnik. Osredotočamo se na elektronske in magnetne lastnosti s posebno pozornostjo na fizikalne pojave, ki so posledica močnih elektronskih korelacij. Opis slednjih je še posebej kompleksen saj zahteva inovativne numerične pristope, ki se izvajajo na visokozmogljivih računalnikih. Skupni vidik skoraj vseh raziskav je opis transportnih lastnosti. Raziskave lahko vsebinsko razvrstimo v štiri delno prekrivajoče se sklope. (a) Prvi razred predstavljajo raziskave termodinamskih, dinamičnih in transportnih lastnosti fundamentalnih modelov večdelčnih kvantnih sistemov v ravnovesju. Tu raziskujemo sisteme, kot so: (i) močno korelirani sistemi z nenavadnimi transportnimi lastnostmi, kot so kuprati, in sorodni sistemi; (ii) sistemi ob prisotnosti nereda; (iii) frustrirani sistemi, ki vključujejo kvantne spinske tekočine ter spinska stekla in sisteme blizu kvantnega faznega prehoda. (b) Nadalje raziskujemo mehanizme termalizacije, kvantne ergodičnosti in kvantnega kaosa v fundamentalnih modelih sistemov več teles ter scenarije zloma ergodičnosti, pojav kvantne integrabilnosti in vpliv simetrij. c) Sistematično analiziramo tudi bolj realistične modele v ravnovesju z namenom interpretacije in napovedovanja eksperimentalnih rezultatov. Intenzivno sodelujemo z vodilnimi eksperimentalnimi skupinami na temah, ki so trenutno zelo zanimive za področja fizike trdnega telesa, sistemov hladnih atomov, polprevodniških nanodelcev, sintetičnih kvantnih sistemov in fiziko površin. Osredotočamo se tudi na nova hitro razvijajoča se področja, kot so heterostrukture z izjemno velikimi osnovnimi celicami in nenavadnimi osnovnimi stanji, vključno z nekonvencionalno superprevodnostjo in topološkimi stanji. (d) Raziskujemo tudi neravnovesno dinamiko kompleksnih kvantnih sistemov, vključno z realističnimi podrobnostmi. Pri časovno ločljivi laserski spektroskopiji je ključno vprašanje, kako ustrezno modelirati, izvrednotiti in interpretirati relaksacijske procese. Relaksacijska dinamika je izjemno kompleksna zaradi prisotnosti različnih neelastičnih prostostnih stopenj: elektronov, spinov in mreže oziroma fononov. Posebno področje predstavlja statistična fizika klasičnih kompleksnih sistemov in mrež. Tu se osredotočamo na raziskovanje neravnovesnih sistemov s številnimi elementi in interakcijami, ki jih predstavimo kot vozlišča in robove omrežij višjega reda. Skupno vsem raziskovalnim področjem je razvoj in napredek učinkovitih numeričnih (in z njimi povezanih analitičnih) metod za obravnavo številnih kvantnih ter klasičnih večdelčnih modelov ter njihovih statičnih in dinamičnih lastnosti.
Pomen za razvoj znanosti
Cilji programa so povezani s področji, ki so trenutno med najzahtevnejšimi in najzanimivejšimi v teoriji trdne snovi in statistični fiziki. Teorija večdelčnih kvantnih sistemov (VKS), ki bo v središču raziskav v naslednjem obdobju, je zelo aktivna in široka tema, ki sega od temeljnih vprašanj o medsebojnem delovanju kvantnih delcev (v naših študijah pretežno elektroni), njihovih interakcij, vključuje pa tudi učinke motenj, lokalnih nečistoč, geometrijske in notranje frustracije, sklapljanja na druge prostostne stopnje (kot so fononi), sklopitev med spinsko ter tirno vrtilno količino in topologijo. Glavni dosežek programa bi moral biti prispevek k svetovnim znanstvenim prizadevanjem za razumevanje in celo kvantitativno opisovanje sistemov VKS in njihovih modelov. Zlasti nameravamo raziskati pojave, ki segajo od temeljnih do tistih, povezanih z materiali, kot so: a) osnovne statistične in dinamične lastnosti VKS v povezavi s termalizacijo, statistiko kvantnih nivojev, neravnovesno dinamiko, lokalizacijo zaradi nereda in učinke kvantnih nečistoč b) opis in izračun lastnosti realnih materialov ter s tem povezane in aktualne fizike sistemov hladnih atomov. Glavni rezultati programa naj bi bile objave v revijah z visoko prepoznavnostjo, pa tudi predstavitve na mednarodnih srečanjih, prijave in sodelovanje v mednarodnih (in domačih) projektih. Eno od stalnih prizadevanj članov programa je razvoj in napredek učinkovitih numeričnih (in z njimi povezanih analitičnih) metod za obravnavo modelov VKS ter njihovih statičnih in dinamičnih lastnosti. Metode za obravnavanje statičnih in dinamičnih lastnosti pri končnih temperaturah, kot sta FTLM in MCLM, se nenehno izboljšujejo in jih že uporabljajo različne skupine iz tujine. Lokalno razvita metoda NRG za probleme kvantnih nečistoč je splošno znana in jo bomo nadalje razvijali. Pričakujemo tudi napredek in razvoj metod, ki temeljijo na DMFT daleč izven ravnovesja. Vsa ta prizadevanja so tesno povezana z uporabo in napredkom visokozmogljivega računalništva reševanjem poblemov v fiziki trdne snovi pa tudi za reševanje tehnoloških izzivov. Pomemben vidik programa je tesno sodelovanje z eksperimentalci, ki delajo v Inštitutu, pa tudi po vsem svetu, pri različnih vidikih VKS. Zlasti načrtujemo nadaljnje sodelovanje pri eksperimentih na novih materialih s frustriranimi in nizko dimenzionalnimi kvantnimi pojavi, pri analizi rezultatov časovno ločljive spektroskopije na koreliranih materialih. Načrtujemo tudi sodelovanje z novo eksperimentalno skupino, ki deluje na področju hladnih atomov.
Pomen za razvoj Slovenije
Predlagane raziskave s področja teorije kvantnih večdelčnih sistemov predstavljajo predvsem razvoj analitičnih ter numeričnih metod za izračun neravnovesne dinamike modelov koreliranih elektronov in frustriranih spinskih sistemov ter njihovih anomalnih termodinamskih in transportnih lastnosti. Nabor teh snovi je zelo širok, njihov potencialni tehnološki pomen pa izredno velik (prenos električne energije, pretvorbe toplotnega v električni tok, načrtovanje novih snovi, ki so superprevodne pri visokih temperaturah, velika toplotna prevodnost nekaterih električnih izolatorjev). Pomembna aplikativna posledica raziskovalnega dela na modelih koreliranih elektronov so tudi izračunane vrednosti električnih upornosti železa v Zemljini sredici z upoštevanjem prisotnosti lahkih elementov. Odkritje je izjemnega pomena za razumevanje obstoja zemeljskega magnetnega polja. Raziskave iz sklopa teorije nanosistemov so izrednega pomena za razvoj novih nano-naprav, za katere pričakujemo, da bodo imele nepredvidljive in zagotovo daljnosežne učinke v družbeni sferi (medicina, uprava, promet, gospodinjstva itd.). Enako pomemben in perspektiven je tudi tretji sklop raziskav, ki obsega kvantno računalništvo in informatiko, kjer je razumevanje pojava dekoherence ključnega pomena za učinkovito implementacijo kvantnega računalništva in komunikacijskih protokolov na osnovi kvantne prepletenosti. Izjemno pomembna uporaba odkritij s tega področja se obeta v kriptografiji. Četrti sklop, pomemben tako za tehnološke aplikacije kot za družbeno infrastrukturo je statistična fizika s tematiko dinamika kompleksnih omrežij. Razumevanje dinamičnih lastnosti omrežij in razširjanja informacij po mreži ali skupku mrež je izredno pomembno v čedalje bolj informatizirani družbi. 3) Potencialni vpliv na družbeni in kulturni razvoj: Skoraj vsi člani programa sodelujejo pri pouku fizike na Univerzi v Ljubljani na več fakultetah. Trije so redni profesorji na Fakulteti za fiziko in matematiko, nadaljnjih pet je docentov in izrednih profesorjev s polno ali delno učno obremenitvijo, medtem ko se tudi mlajši kolegi vključujejo v univerzitetni pedagoški proces. Eden od ciljev programa je torej ohranjanje visoke ravni univerzitetnega izobraževanja in povezovanje mlajših generacij s sodobnim znanjem, raziskavami, znanostjo in tehnologijo. Program predstavlja pomembno podporo doktorskim študentom, ki opravljajo svoje raziskave in zaključujejo naloge pod nadzorom starejših članov programa. Do sedaj so bili vsi doktoranti na programu zelo uspešni v njihovi nadaljnji karieri. Nekateri so dobili prestižna postdoktorska delovna mesta in akademsko kariero nadaljevali v Sloveniji ali drugje. Privabiti najboljše mlade fizike in jih vpeljati v raziskovalno delo ostaja eden osrednjih ciljev programa. Tudi poudarek raziskav na področju uporabe in razvoja računalniških aplikacij je odprl pot mladim doktorandom, da so se po končanem doktoratu znanosti lahko zaposlili večinoma v visokotehnoloških podjetjih (Cosylab). Na koncu navedemo še dva konkretna primera, ki nedvomno prispevata k uveljaljanju slovenske fizike v Evropskem merilu. Nekdanji podoktorski sodelavec na programu v letih 2011-12 dr. Robin Steinigeweg je po vrnitvi v Nemčijo postal glavni govorec (spokesman) raziskovalne enote DFG (Deuche Forschungsgemeinschaft) ter leta 2020 postal redni profesor ter dobil stalno mesto na Univerzi v Osnabruecku. Dr. Jacek Herbrych je v programski skupini doktoriral leta 2013, nakar se je po podoktorskem usposabljanju v Grčiji ter ZDA leta 2019 vrni na Poljsko, kjer je prejel enega najprestižnejših poljskih raziskovalnih projektov in položaj na univerzi v Wroclawu. Osor Barišič, nekdanji postdoc v programski skupini, je zdaj višji znanstveni sodelavec na Inštitutu za fiziko Zagreb in je bil leta 2021 izvoljen za direktorja Inštituta. Prof. A. Ramšak je kandidiral za rektorja Univerze v Ljubljani. Uspešno vključevanje v probleme na fronti raziskav s področja fizike trdne snovi in statistične fizike zagotavlja učinkovit stik z drugimi raziskovalnimi skupinami doma in po svetu, s čimer se neposredno povečuje tudi domača zakladnica znanja, bogati jezik z vpeljavo novih terminov v slovenski jezik in posredno omogoča prenos novih tehnologij v domače okolje. V preteklem programskem obdobju smo organizirali 13 konferenc z mednarodno udeležbo (tri v Odesi v Ukrajini, na Dunaju ter ostale v Sloveniji), naši sodelavci so svoje delo predstavili na preko 150 vabljenih predavanjih na mednarodnih konferencah. Organizacija mednarodnih konferenc, sodelovanje na uglednih mednarodnih konferencah v obliki plenarnih vabljenih predavanj in obiski na povabilo na tujih ustanovah, objave v uglednih in prestižnih znanstvenih revijah, citiranost v preglednih člankih in monografijah, sodelovanje v mednarodnih evalvacijskih komisijah ter uredniških odborih uglednih znanstvenih revij - vse to prispeva k razpoznavnosti Slovenije kot moderne evropske države z razvito znanstveno-tehnološko bazo. S tem bistveno prispevamo k utrjevanju nacionalne identitete.
