Исследование квантовых эффектов в сильных электромагнитных полях методами КТП

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 19-12-00042

НазваниеИсследование квантовых эффектов в сильных электромагнитных полях методами КТП

Руководитель Гитман Дмитрий Максимович, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский государственный университет" , Томская обл

Конкурс №35 - Конкурс 2019 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе; 02-602 - Квантовая теория поля, квантовая механика

Ключевые слова квантовая теория поля, сильное электромагнитное поле, нестабильный вакуум, эффект Швингера, модель Дирака для наноструктур, самосопряженное расширение оператора, кулоновский потенциал, киральные магнитные явления, компактные звезды

Код ГРНТИ29.05.23

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Проект посвящен комплексу проблем, связанных с квантовыми эффектами в сильных (в основном, электромагнитных) полях, и объединенных общими непертурбативными методами решения и физикой предлагаемых приложений. Адекватной теорией для описания этих эффектов является квантовая электродинамика (и модели КТП с абелевыми калибровочными полями) с сильным внешним электромагнитным полем. В настоящее время эффекты интенсивного поля стали значимыми для ряда реалистических моделей физики высоких энергий, астрофизики и физики наноструктур. Они важны для понимания процессов в сильных полях мощных лазерных установок типа ELI, HiPER. Изучение физических процессов протекающих в сильных магнитных полях, генерируемых за счет кирального магнитного эффекта (и родственных ему), занимает одно из центральных мест в современной физике элементарных частиц. Данные исследования представляют интерес не только для экспериментов на ускорителях, но и для объяснения наблюдаемых характеристик различных астрофизических и космологических сред. Планируется построить представление модели Дирака в пространстве Фока для взаимодействия фотонов с дираковскими фермионами в присутствии медленно меняющегося неоднородного электрического поля, нарушающего стабильность вакуума. Будет развита диаграммная техника вычисления средних значений физических величин, разработаны методы приближенных непертурбативных вычислений, позволяющих аналитически и численно исследовать излучение в широком классе медленно меняющихся и слабо-неоднородных электрических полей. Планируется получить самосогласованное описание эволюции носителей в графене с учетом внутренних полей, исследовать характеристики излучения, сопровождающего протекание постоянного тока вблизи нейтральной точки для графена и других материалов с аналогичным типом проводимости в различных полях, выработать рекомендации для оптимальных условий возможного наблюдения явления. Будет исследовано влияние медленно меняющихся электрических полей на оптические свойства наноматериалов. Поскольку до настоящего момента нет систематического описания явления излучения и поглощения фотонов в графене в постоянном внешнем электрическом поле, ожидается, что полученные результаты приведут к созданию соответствующей общей теории для явлений переноса в физике наноструктур. Мы планируем сформулировать подход, позволяющий численно или аналитически учитывать поправки к приближению локально-постоянного поля для среднего числа рожденных частиц в случае медленно меняющихся слабо неоднородных полей. Планируется получить универсальные приближенные представления для средних значений плотности тока и тензора энергии-импульса, дать корректное общее определение режима с большим параметром и найти новый вид разложения по производным поля и новое адиабатическое разложение, справедливое для большой плотности состояний, возбуждаемых из вакуума электрическим полем. Будет сформулирован подход, позволяющий использовать квантовое кинетическое уравнение для задач КЭД с сильным постоянным неоднородным электрическим полем, заданным потенциалом ступенчатого типа. С его помощью мы исследуем проводимость вблизи точки Дирака для графена и других наноматериалов с аналогичным типом проводимости в различных низкочастотных полях. Результаты, полученные аналитическим методом, будут сопоставлены с численными решениями и экспериментальными данными. Планируется получить систему обобщенных кинетических уравнений, включающую описание эволюции фотонной подсистемы. С ее помощью будет рассмотрено излучение из фокусного пятна встречных лазерных пучков и предложен метод удаленной диагностики электрон-позитронной плазмы, порождаемой из вакуума. Ожидается, что эти результаты приведут к новому методу исследования явлений, связанных с нестабильностью вакуума, в физике наноструктур, физике компактных звезд и сильных полях мощных лазерных установок типа ELI, HiPER. На подвижность электронов в графене существенное влияние оказывают заряженные кулоновские примеси. Для корректного описания взаимодействия с сингулярным кулоновским потенциалом необходимо решить нетривиальную задачу определения дираковского гамильтониана как самосопряженного оператора. Для этого мы планируем построить самосопряженные дираковские гамильтонианы в графене при наличии одной или двух близко расположенных кулоновских примесей. Будет исследован энергетический спектр и локальная плотность состояний квазичастиц, исследовано влияние на спектр внешних магнитных полей. Полученные результаты позволят лучше учитывать роль примесей в физике графена. Планируется изучение киральных магнитных явлений в присутствии неоднородного электрослабого вещества с характеристиками, зависящими от времени. На основе методов квантовой теории поля будет выведено квазиклассическое действия для безмассовых заряженных частиц во внешнем электромагнитном и аксиально-векторном полях с учетом связности Берри. Также планируется исследование эволюции магнитного поля в коре вращающейся компактной звезды с учетом точной адлеровской аномалии для электронов. Полученные результаты будут использованы для объяснения электромагнитных вспышек магнитаров.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Дворников М.С., Семикоз В.Б. Permanent mean spin source of the chiral magnetic effect in neutron stars Journal of Cosmology and Astroparticle Physics, Т. 2019, №. 06, С. 053 (1-15) (год публикации - 2019)
10.1088/1475-7516/2019/06/053

2. А.И. Бреев, Р. Феррейра, Д.М. Гитман, Б.Л. Воронов Spectra of electronic excitations in graphene near Coulomb impurities Journal of Experimental and Theoretical Physics (год публикации - 2020)

3. Адорно Т.К., Гаврилов С.П., Гитман Д.М. Vacuum instability in a constant inhomogeneous electric field: a new example of exact nonperturbative calculations European Physical Journal C, Vol. 80 (2020), No. 2, P. 88 (1-27). (год публикации - 2020)
10.1140/epjc/s10052-020-7646-y

4. Дворников М.С. Magnetic helicity in plasma of chiral fermions electroweakly interacting with inhomogeneous matter Nuclear Physics B, Vol. 955 (2020). P. 115049 (1-12). (год публикации - 2020)
10.1016/j.nuclphysb.2020.115049

5. Гаврилов С.П., Гитман Д.М. Regularization, renormalization and consistency conditions in QED with x-electric potential steps European Physical Journal C, Vol. 80 (2020), Iss. 9, P. 820 (1-15). (год публикации - 2020)
10.1140/epjc/s10052-020-8337-4

6. Адорно Т.К., Гитман Д.М., Шабад А.Е. Saturation of Energy Levels of the Hydrogen Atom in Strong Magnetic Field Universe, Vol. 6 (2020). Iss. 11. P. 204 (1-15). (год публикации - 2020)
10.3390/universe6110204

7. Гаврилов С.П., Гитман Д.М., Дмитриев В.В., Панферов А.Д, Смолянский С.А. Radiation Problems Accompanying Carrier Production by an Electric Field in the Graphene Universe, Vol. 6 (2020). Iss. 11. P. 205 (1-31) (год публикации - 2020)
10.3390/universe6110205

8. Бреев А.И., Гаврилов С.П., Гитман Д.М., Шишмарев А.А. Vacuum nstability in time-dependent electric fields: New example of an exactly solvable case Physical Review D, Vol. 104 (2021). Iss, 7. P. 076008 (1-14). (год публикации - 2021)
10.1103/PhysRevD.104.076008

9. Гитман Д.М., Иванов Д.А., де Соуза А.Ф. Pseudoclassical description of relativistic particles interacting with electromagnetic fields and weakly interacting with matter fields European Physical Journal Plus, Vol. 136 (2021) Iss. 10. P. 984 (1-10) (год публикации - 2021)
10.1140/epjp/s13360-021-01982-z

10. Бреев А.И., Гитман Д.М. Massless Electronic Excitations in Graphene Near Coulomb Impurities Journal of Experimental and Theoretical Physics, Vol. 132 (2021) Iss. 6. P. 941-959 (год публикации - 2021)
10.1134/S1063776121060017

11. Бреев А.И., Гаврилов С.П., Гитман Д.М. Spinor field singular functions in QED with external backgrounds Journal of Experimental and Theoretical Physics (год публикации - 2022)

12. Адорно Т.К., Гаврилов С.П., Гитман Д.М., Шишмарев А.А. Particle creation by peak electric fields Particle Physics at the Year of 150th Anniversary of the Mendeleev's Periodic Table of Chemical Elements. World Scientific. – Singapore New Jersey London Hong Kong, P. 510 – 515 (год публикации - 2021)
10.1142/9789811233913_0093

13. Адорно Т.К., Зи-Вонг Хе, Гаврилов С.П., Гитман Д.М Vacuum instability due to the creation of neutral Fermion with anomalous magnetic moment by magnetic-field inhomogeneities Journal of High Energy Physics (год публикации - 2021)

Публикации