Как не ошибиться с выбором кафедры?

В связи с распределением студентов по кафедрам лаборатория оптики спина публикует ряд материалов, которые должны облегчить сложный выбор.

Хотя наша лаборатория не подчинена ни одной из кафедр, тем не менее большая часть студентов, аспирантов и профессоров тем или иным образом связаны с кафедрой физики твёрдого тела или с кафедрой фотоники, а все направления деятельности лаборатории требуют глубокого знания физики конденсированного состояния. Поэтому мы рекомендуем подавать заявление на кафедру физики твёрдого тела или на кафедру фотоники.

Но рекомендации — рекомендациями, а выбор кафедры — дело ответственное. И поэтому профессор кафедры ФТТ и ведущий научный сотрудник нашей лаборатории Иван Владимирович Игнатьев подготовил ряд общих рекомендаций по выбору кафедры: "Как выбрать кафедру: попытка научного анализа".

Помимо общих советов мы подготовили описание деятельности нашей лаборатории, адресованное студентам младших курсов.

Как мы работаем

(развернуть большой текст)

Оптика – это наука о темноте и пластилине
Из научного фольклора

У студента, приходящего в лабораторию или на кафедру, возникает естественный вопрос, а чем же там занимаются. В двух словах объяснить это обычно довольно трудно (если лаборатория действительно занимается серьезной наукой). На самом деле новичку важнее знать, как устроен процесс исследований и какова может быть его, новичка, роль в этом процессе. Попытаемся рассказать, как происходит дело у нас.

Итак, в Лаборатории Оптики спина мы занимаемся «настольными» экспериментами (а также теорией, их описывающей – но об этом чуть позже). Настольными – в том смысле, что нам не нужен Большой адронный коллайдер (хотя современный оптический стол - тоже сооружение внушительное). Мы обходимся достаточно компактными приборами, для работы с которыми не нужен огромный штат физиков и инженеров – например, одну из наших основных оптических установок построили и работают на ней два студента 6-го курса. При этом физические явления, которые мы исследуем, отнюдь не просты. В очень общих словах можно сказать, что мы изучаем, как работают законы квантовой механики, пытаемся найти наглядные проявления этих законов (которые традиционно считаются противоречащими здравому смыслу). По возможности, мы также пытаемся придумать, нельзя ли из них извлечь какую-нибудь пользу (вообще-то пользы от квантовой физики уже произошло очень много – вся современная электроника на ней основана). Например, встроить оптические элементы в компьютерные чипы, что позволит в десятки раз увеличить быстродействие процессоров.

Удается нам это делать не только потому, что мы такие умные (хотя в лаборатории действительно работают талантливые физики). Определяющим является доступ к уникальным объектам исследования – полупроводниковым наноструктурам с квантовыми ямами и квантовыми точками, в которых квантовые состояния электронов и фотонов заранее заданы и рассчитаны. Сами мы их не производим – такие структуры изготавливают по нашему заказу ведущие европейские нанотехнологические центры, с которыми мы сотрудничаем, а также наши университетские технологи. А вот рассчитать на компьютере такую структуру многие наши студенты, аспиранты и молодые сотрудники вполне способны – так что мы имеем возможность работать со своего рода лабораториями атомных размеров, где положение квантовых частиц может быть задано с точностью до нанометра. Это дает колоссальные преимущества. Например, никакой коллайдер, будь он трижды Адронный, не даст вам возможности заглянуть в двумерный мир. А мы можем!

Второй важной составляющей успеха таких исследований является наличие современных оптических приборов. Дело в том, что, исследуя прохождение, отражение, переизлучение, рассеяние и другие приключения, происходящие с падающим на наноструктуру светом, можно узнать очень многое о свойствах находящихся там квантовых частиц – например, определить их энергию, импульс, момент импульса (он же спин – см. название лаборатории). Более того, с помощью света можно управлять их поведением. А если этот свет – не просто свет, а, например, последовательность лазерных импульсов длительностью в 100 фемтосекунд каждый? А если в вашем распоряжении две такие последовательности, и можно произвольно менять задержку между импульсами? Если можно задавать их спектр и поляризацию (помните, кстати говоря, что такое поляризация света? Так вот, для нас это едва ли не самый главный инструмент!).

В общем, поверьте на слово – возможности открываются фантастические. И такими возможностями мы располагаем, так как у нас есть высококлассные современные приборы – импульсные и непрерывные лазеры с перестраиваемой длиной волны излучения, управляемые компьютером спектральные фильтры, акустооптические модуляторы и многое другое. Из таких «кирпичей» можно собрать на оптическом столе именно ту конфигурацию, какая нужна для конкретного эксперимента. А связующим цементом служат зеркала, призмы и линзы, через которые проводятся многочисленные световые пучки. Для того, чтобы временно закрепить все эти оптические элементы, небогатые советские физики зачастую пользовались пластилином – отсюда эпиграф. У нас имеется достаточный запас всякого рода механического крепежа для оптики, поэтому для нас пластилин – история. А вот освещение в лаборатории при проведении экспериментов действительно приходится выключать, чтобы рассеянный свет не создавал помех.

Наконец, о теории и теоретиках. Лаборатория нацелена прежде всего на получение экспериментальных результатов. Однако хорошую экспериментальную работу в современной физике практически невозможно сделать без серьезной теоретической поддержки. Поэтому у нас работают сильные теоретики, с которыми можно обсудить любую задачу. Мы всячески поощряем наших студентов разбираться в теории и самостоятельно делать расчеты. Можно получить и чисто теоретическую тему для бакалаврской или магистерской работы, но это скорее исключение.

В общем, если вы неравнодушны к науке, хотите поразбираться в работе физических законов и готовы ради этого поработать головой и руками – добро пожаловать в лабораторию Оптики спина!

Старший научный сотрудник лаборатории оптики спина
Кирилл Витальевич Кавокин

Наконец, мы составили "вступительный" тест. Вопросы из этого теста не должны вызывать затруднений у человека, поступающего в нашу лабораторию. Хотя последний вопрос из этого теста остановил работу в лаборатории на пятнадцать минут до тех пор, пока мы не выяснили правильный ответ. Мы надеялись закончить тест первого апреля, но не успели.

Я уже проходил тест, покажите статистику

Что Вам ближе теория или эксперимент?

Теория
Эксперимент

К каждому вопросу в этом тесте приведена статистика ответов. Так из статистики по этому вопросу можно понять кто больше интересуется нашей лабораторией и кафедрой физики твёрдого тела среди студентов второго курса, теоретики или экспериментаторы.

  1. Теория — 47
  2. Эксперимент — 54

Что такое твёрдое тело?

Всё что сравнимо по твёрдости с алмазом
Тело в котором расстояние между двумя точками не изменяется
Вещество, обладающее кристаллической структурой

В механике, определение твёрдого тела, действительно, сведено к двум любым точкам тела, расстояние между которыми не изменяется. Однако при последовательном изучении твёрдого тела разумно начать с "чистых" веществ, с тех, что состоят из одной-двух разновидностей атомов. Если одинаковые атомы собрать вместе, то они образуют кристаллическую структуру если их энергия не слишком велика. Конечно, существуют и другие твёрдые тела, без кристаллической структуры, например дерево. Твёрдость дереву придают стенки клеток дерева, которые состоят из целлюлозы[wiki]. И хотя возможно достижение твёрдости без участия кристаллической структуры (сонаправленные волокна в дереве, состоящие из клеток), тем не менее под физикой твёрдого тела подразумевают изучение довольно простых по составу веществ, которые неизбежно образуют кристаллическую структуру.

  1. Всё что сравнимо по твёрдости с алмазом — 3
  2. Тело в котором расстояние между двумя точками не изменяется — 36
  3. Вещество, обладающее кристаллической структурой — 62

Что такое экситон?

Фамилия французского ученого
Элементарная частица
Кулоновски связанная электрон-дырочная пара в веществе

Экситон — это водородоподобная квазичастица, состоящая из электрона и дырки, связанных кулоновским взаимодействием. Помимо представления об экситоне как о квазичастице существует представление об экситоне как об электронном возбуждении в кристалле или диэлектрике. Экспериментально экситон был подтверждён впервые Евгением Фёдоровичем Гроссом, основателем кафедры физики твёрдого тела. С тех пор изучение экситонов является одним из приоритетных направлений в исследованиях проводимых на кафедре ФТТ, а также в нашей лаборатории.

  1. Фамилия французского ученого — 2
  2. Элементарная частица — 7
  3. Кулоновски связанная электрон-дырочная пара в веществе — 92

Можно ли сделать свет жидким?

Да, можно
Нет, нельзя, ведь фотоны друг с другом не взаимодействуют

Жидкость подразумевает взаимодействие между элементами, из которых она состоит. Фотоны друг с другом не взаимодействуют, однако в кристалле возможно существование возбуждений, которые мы называем экситонами. Эти возбуждения могут активно взаимодействовать со светом, и таким образом осуществлять взаимодействие между фотонами. Одно из направлений деятельности лаборатории — создавать жидкость из фотонов.

  1. Да, можно — 54
  2. Нет, нельзя, ведь фотоны друг с другом не взаимодействуют — 47

Откуда человечество берёт большую часть потребляемой электроэнергии?

Из ископаемых углеводородов
От гидроэлектростанций
От ядерных электростанций
Из термоядерных реакций

Болшая часть электростанций получает электроэнергию из углеводородов. Гидроэлектростанции -- это второй по объёму вырабатываемой энергии источник. Ядерные электростанции вырабатывают около 1\% потребляемой электроэнергии. Но если задуматься, то растения и животные из которых получилась нефть потребляли солнечный свет для жизни. Гидроэлектростанции преобразуют в электричество энергию воды, которая была поднята солнечным теплом в облака, выпала дождём и стекла в реки. А ядерные электростанции и вовсе извлекают энергию из нестабильных ядер, которые образовались в результате термоядерных реакций в звёздах. Можно подумать, что вся электроэнергия берётся из термоядерных реакций, но, в общем-то, в звёздах создаются только благоприятные условия для того, чтобы протоны и нейтроны переходили из состояния с большей энергией в состояние с меньшей энергией, а уж в этом состоянии с большей энергией протоны и нейтроны оказались когда они образовывались сразу после большого взрыва. Поэтому вся энергия которая есть у человечества, в том числе и электроэнергия берётся из большого взрыва. А поскольку мы не знаем что породило взрыв такой мощности, то мы не знаем и откуда берётся электроэнергия.

  1. Из ископаемых углеводородов — 56
  2. От гидроэлектростанций — 7
  3. От ядерных электростанций — 24
  4. Из термоядерных реакций — 14

Из опытов Лебедева известно, что свет способен оказывать давление на вещество. Отсюда можно вывести массу фотона. Какова масса, приобретаемая Землёй за одну секунду вследствие излучения приходящего от Солнца?

1фг-1нг
1нг-1мкг
1мкг-1мг
1мг-1г
1г-1Кг
1Кг-1Т
1Т-1КТ
1КТ-1ГТ
1ГТ-1ТТ
1ТТ-1ПТ

  1. 1фг-1нг — 22
  2. 1нг-1мкг — 7
  3. 1мкг-1мг — 11
  4. 1мг-1г — 13
  5. 1г-1Кг — 16
  6. 1Кг-1Т — 13
  7. 1Т-1КТ — 8
  8. 1КТ-1ГТ — 8
  9. 1ГТ-1ТТ — 1
  10. 1ТТ-1ПТ — 2

Как выглядит электрон?

Кругленький, твёрденький, из макушки торчит стрелочка
Мутный и неопределённый, реагирует на электрическое и магнитное поле

  1. Кругленький, твёрденький, из макушки торчит стрелочка — 2
  2. Мутный и неопределённый, реагирует на электрическое и магнитное поле — 99

Какого цвета видимый фотон?

Более активный — синий, менее активный — красный
Более активный — красный, менее активный — синий
Не окрашен

Фотоны с большей энергией воспринимаются нашим глазом как синие, а с меньшей энергией — как красные. Поэтому маркировка на водопроводных кранах, связанная с голубыми озёрами и красными кострами, с точки зрения физика, выглядит противоречиво.

  1. Более активный — синий, менее активный — красный — 50
  2. Более активный — красный, менее активный — синий — 13
  3. Не окрашен — 38

Как изменяется боровский радиус объемного экситона с ростом магнитного поля?

Не меняется
Увеличивается
Уменьшается

Боровсий радиус объёмного экситона уменьшается, поскольку магнитное поле приводит к появлению в гамильтониане экситона дополнительного потенциала, который увеличивается с ростом магнитного поля и квадратично зависит от относительного расстояния между электроном и дыркой. Этот потенциал сжимает электрон с дыркой, уменьшая среднее расстояние между ними с ростом мегнитного поля.

  1. Не меняется — 37
  2. Увеличивается — 39
  3. Уменьшается — 25

Какой линзой лучше собирать солнечные лучи для поджигания чего-либо:

  • d=5см, f=10см
  • d=10см, f=30см

Первое, так как яркость изображения Солнца выше
Второе, так как собираемая энергия больше

Чтобы выяснить ответ на последний вопрос приходите к нам на экскурсию в любое время: здание НИИФ, корпус М, 4 этаж, лаборатория оптики спина.

  1. Первое, так как яркость изображения Солнца выше — 30
  2. Второе, так как собираемая энергия больше — 71

Конечно, трудно заочно составить мнение о лаборатории и о людях, которые в ней работают. Поэтому мы ждём вас на экскурсии с 11 до 19 часов с понедельника по пятницу.

Мы расположены в здании НИИФ, корпус М, 4 этаж, лаборатория оптики спина.

Saint Petersburg State University. Spin Optics Laboratory. Site support: Evgeniy Khramtsov. (Click here to show e-mail adress)