Закрученные фотоны и калибровочные теории: победные темы физиков ТГУ

Аспиранты кафедры квантовой теории поля физического факультета Петр Королев и Виктория Абакумова заняли первое и второе места в секции «Физика и астрономия» VII Всероссийского конкурса научно-исследовательских работ студентов и аспирантов. Предварительно из более 2 500 участников конкурса были отобраны 300 финалистов. За победу они боролись в десяти секциях. Сразу два финалиста и победителя от одного факультета в конкурсе такого уровня – свидетельство высокого уровня подготовки молодых ученых ФФ.

– Попадание в финал двух человек не просто из одного вуза, а с одного факультета – уже довольно серьезный успех. Тем более, что у нас относительно небольшой факультет, с ежегодным набором всего порядка 100 человек. Для сравнения – в МГУ на физическом факультете набор на первый курс составляет около 500 человек. А еще есть МФТИ, МИФИ, СПбГУ и так далее. И вот наш довольно «мелкий» факультет дал сразу двух финалистов, что по размерам сопоставимо с крупными «игроками». Это было для нас приятной неожиданностью. А вот дальнейшая победа Петра Королева и Виктории Абакумовой для меня лично неожиданностью не была – уровень их работ высочайший, – подчеркивает главный научный сотрудник лаборатории теоретической и математической физики, заведующий кафедрой квантовой теории поля Семен Ляхович.

Петр Королев и Виктория Абакумова

Исследования молодого ученого Петра Королева посвящены разработке теории закрученных фотонов. Явление «закрученности» состоит в том, что при определенных условиях фотон может обладать ненулевой проекцией орбитального углового момента. Из этого следует ряд интересных квантовых эффектов. Разрабатываемая тема уже сейчас имеет хорошо просматриваемую перспективу технологических применений, причем очень важных.

В этом году Петр Королев окончил магистратуру ФФ и поступил в аспирантуру, на кафедру квантовой теории поля. Все предыдущие годы учебы он был отличником, победителем и призером многих олимпиад российского и международного уровня, успешно занимался научной работой в области квантовой электродинамики под руководством профессора Петра Казинского. А вот в конкурсе такого уровня участвовал впервые и сразу был признан автором лучшей студенческой работы в секции «Физика и астрономия».

– Я уверен, что будут еще победы, но запомнится именно первая. На конкурс я представлял работу «Сдвиг углового момента закрученных фотонов при рассеянии на спиральных средах». В ней предлагается новый механизм генерации закрученных фотонов. Они могут нести в себе информацию о произвольном числе, тем самым многократно повышая плотность передачи данных. Эта технология необходима миру, поскольку данных, которые надо уметь быстро передавать, становится все больше и больше. В перспективе, интернет по оптоволокну у каждого в доме будет передаваться именно с помощью закрученных фотонов, – рассказывает подробности Петр Королев.

Еще одна сфера, где закрученные фотоны могут открыть радикально новые возможности, – молекулярная биология. С помощью эффекта «закрученности» возможно создание «квантовых пинцетов», позволяющих удерживать в нужном месте или поворачивать отдельную клетку или большую молекулу. Все эти возможности технологий будущего повышают интерес к разработке теории квантовых процессов такого типа. 

награждение победителей

Исследования Виктории Абакумовой (научный руководитель – Семен Ляхович) посвящены разработке методов построения квантовой теории новых типов полей. Работа Виктории помогает приблизиться к построению единой теории фундаментальных взаимодействий – одной из важнейших проблем современной науки. Кроме того, эти результаты расширяют класс физических моделей, допускающих построение квантовой теории. Эта тематика развивается в ряде ведущих научных центров в Европе и США, в столичных институтах Российской академии наук. Физический факультет ТГУ тоже входит в этот «элитный» узкий круг исследователей квантовой теории.

Виктория АбакумоваНа Всероссийском конкурсе научно-исследовательских работ студентов и аспирантов (секция «Физика и астрономия», номинация «НИР аспирантов и ученых без степени») Виктория Абакумова представляла научно-исследовательскую работу, являющуюся частью ее диссертационного исследования по теме «Калибровочные теории с высшими производными и несвободно-порожденными симметриями». Актуальность этой работы в том, что калибровочные теории составляют основу современной теоретической физики высоких энергий, а также играют важную роль во многих областях математической физики. Таким образом, большинство физически значимых моделей обладают калибровочной симметрией.

В работе Виктории Абакумовой рассматриваются два класса калибровочных теорий поля, представляющих интерес для современной теоретической физики, для которых, однако, хорошо разработанный стандартный общий формализм калибровочных теорий либо непосредственно неприменим, либо его применение приводит к значительным трудностям. Речь идет о теориях с высшими производными и теориях с несвободно-порожденной калибровочной симметрией. Среди основных результатов работы Виктории Абакумовой – обобщение общего формализма на случай теорий с несвободно-порожденной калибровочной симметрией, а также решение проблемы устойчивости для широкого класса теорий с высшими производными. В перспективе полученные результаты могут способствовать построению единой теории фундаментальных взаимодействий, что представляет собой одну из важнейших задач современной теоретической физики.

– Виктория занимается, можно так сказать, «наукой избранных» – темой, которую осваивает очень небольшое количество ученых. Но несмотря на сложность темы, которую тяжело понять людям, не являющимися специалистами в данной области, у Виктории были неплохие шансы на победу в конкурсе – уже хотя бы потому, что у нее просто «убийственный» по своей серьезности список научных результатов. По сути, это материал сразу для трех блестящих кандидатских диссертаций, с соответствующими публикациями – их уже более десяти – в высокорейтинговых международных журналах по фундаментальной физике, – добавляет Семен Ляхович.       

Ранее доклады Виктории Абакумовой на международных научных конференциях высокого уровня уже неоднократно признавались лучшими среди выступлений молодых ученых.

– На конкурсе НИР с финалом в Новосибирске я представляла фундаментальную работу в области теоретической физики, в то время как подавляющее большинство работ, также как и сферы научных интересов экспертного жюри, были связаны более с прикладной, экспериментальной физикой. Поэтому я старалась рассказать о своей работе так, чтобы это было интересно и понятно для достаточно широкой аудитории. Победа в конкурсе свидетельствует о том, что я справилась с поставленной задачей, – рассказывает Виктория Абакумова.

В целом студенты и ученые ФФ уже много раз достигали успехов в различных научных конкурсах, в том числе на специальные стипендии. Это связано с тем, что факультет предоставляет большой выбор научных тем: начиная с третьего курса, каждый студент может выбрать ту область, где его способности проявятся наилучшим образом, будь то наглядная физика, компьютерное моделирование физических процессов, фундаментальная математика и т.д.   

– Победа во всероссийском конкурсе НИР с такими сильными соперниками говорит об уровне подготовки наших молодых ученых. У нас и на студенческих олимпиадах очень много успехов – как по физике, так и по математике. Бывали случаи, когда на областной олимпиаде по математике из шести первых мест пять занимали студенты нашей кафедры. Вообще, специализация теоретической и математической физики считается элитной и притягивает одаренных студентов. И у нас очень основательно поставлена именно математическая подготовка теоретических физиков, это особенность нашей школы. То есть, секрет успеха в том, что у нас сильные студенты, и мы их хорошо учим, – поясняет Семен Ляхович.

Финал всероссийского конкурса НИР проходил в Новосибирске 23-26 августа, в рамках форума «Наука будущего – наука молодых», на базе НГТУ и IX Международного форума технологического развития «Технопром-2022».

Изначально участникам нужно было предоставить текст своей научно-исследовательской работы и заполнить заявку, содержащую основные сведения о ней. В результате конкурсного отбора были выбраны по 30 участников для каждой из десяти тематических секций, которые и поехали в Новосибирск представлять результаты своей работы в финальном этапе конкурса.

Петр Королев на представлении доклада

Для каждой секции финал конкурса состоял из двух этапов. На первом из них – постерной сессии – все участники, приехавшие в Новосибирск, кратко рассказывали о своей научной работе и отвечали на вопросы экспертного жюри. По результатам этого этапа нескольким студентам и аспирантам была предоставлена возможность рассказать о своих исследованиях более подробно в рамках устной сессии. Эти выступления также оценивались экспертным жюри с точки зрения значимости самой научной работы, качества ее представления и ответов на вопросы. Имена победителей были объявлены на четвертый день форума, на церемонии награждения и закрытия мероприятия, то есть интрига сохранялась до последнего момента. В широком разнообразии тематических секций – от «Гуманитарных наук» до «Транспортных систем, машиностроения и энергетики» – томичи стали победителями именно в секции «Физика и астрономия».

Форум «Наука будущего – наука молодых» – одно из ключевых мероприятий Минобрнауки России. С 2014 года он проходит ежегодно в различных регионах России и является мультидисциплинарным мероприятием, которое объединяет российских и зарубежных ученых, аспирантов и студентов, работающих в различных областях науки. Форум направлен на развитие у молодежи интереса к науке, технологиям и инновациям, привлечение студентов и аспирантов к поиску ответов на большие вызовы, расширение их представлений о науке как о важном ресурсе российского общества. Организаторы отмечают, что форум укрепляет образовательные и научные связи между поколениями в рамках отдельных научных направлений и междисциплинарного сотрудничества.