Российский Квантовый Центр Russian Quantum Center

Events / Мероприятия

Grigory Volovik: Topology in momentum space: From particle physics to room-temperature superconductivity


On 26 of March at 17:00 Grigory Volovik, laureate of 2014 Onsager Prize — one of the most prestigious american scientific awards, — will hold a seminar in the Russian Quantum Center:

«Topological media are gapped or gapless fermionic systems, whose properties are protected by topology, and thus are robust to deformations of the parameters of the system and generic.

We discuss here the class of gapless topological media, which contains normal metals, chiral superfluid 3He-A, graphene, cuprate superconductors, Weyl semimetals and quantum vacuum of Standard Model in its symmetric phase. These media have zeroes in the fermionic energy spectrum, which form Fermi surfaces, Weyl points, Dirac lines, etc. Zeroes are topologically protected, being characterized by topological invariants, expressed in terms of Green's function.

Vacua with Weyl points serve as a source of effective relativistic quantum field theories (QFT) emerging at low energy: chiral fermions, effective gauge fields and tetrad gravity with spin connection and torsion all emerge together in the vicinity of a Weyl point.

The accompanying effects (chiral anomaly and gravitational anomaly; chiral magnetic effect and chiral vortical effect; electroweak baryogenesis, etc.) are expressed via symmetry protected topological invariants.

Systems with degenerate Weyl or Dirac points may have Dirac fermions with nonlinear spectrum: instead of conical point they have quadratic, cubic, quartic, etc. touching of branches. Such systems experience emergent QFT with anisotropic scaling and serve as a source for the emergent quantum gravity of Horava-Lifshits type.

The gapless topological media exhibit the bulk-surface and bulk-vortex correspondence: they have exotic gapless fermions living on the surface of the system or within the core of topological defects, where they form Fermi arc or flat band.

Flat band appears in particular on the surface of semimetals with nodal lines in bulk: all electrons within the flat band have exactly zero energy. This property crucially influences the critical temperature of the superconducting transition in such media. While in all the known superconductors the transition temperature is exponentially suppressed as a function of the pairing interaction, in the flat band the transition temperature is proportional to the pairing interaction, and thus can be essentially higher. So topology gives us the general recipe for the search or artificial fabrication of the room-temperature superconductors.»

About the Speaker

Grigory E. Volovik born in 1946; in1970 graduated from Physical Technical Institute, Moscow; in 1973 defended PhD in Landau Institute for Theoretical Physics, Moscow, and from 1973 to present time is staff member of Landau Institute; from 1993 shares the position in Landau Institute with position in Low Temperature Laboratory (LTL) at Helsinki University of Technology (the present name is Olli Lounasmaa Laboratory at Aalto University).

He got Landau Prize in 1992, Simon Prize in 2004, Onsager Prize in 2014, became the member of the Finnish Academy of Sciences and Letters in 2001, and from 2007 is the member of German National Academy Leopoldina.

He has 350+ publications, 10 000+ citations and Hirsh index 45+, books “Exotic properties of superfluid 3He” (1992) and “The Universe in a Helium Droplet” (2003).

Major achievements


Topological defects:

  • quantum tunneling of vortices (1972): topological classification of defects (1976-78) with Mineev including half-quantum vortices;
  • observation of topological defects in superfluid 3He in collaboration with LTL: vortex with ferromagnetic core (1982), vortex skyrmion (1983), vortex with asymmetric core (1991), soliton terminating on a spin-mass vortex (1992), vortex sheet (1994), etc.

Topological matter and topological phenomena:

  • Weyl points in 3He-A and emergence of chiral fermions, gauge fields and gravity (1986);
  • spin-motive force in metallic ferromagnets (1987);
  • edge states in topological 3He-B (1988);
  • intrinsic quantum and spin-quantum Hall effect without magnetic field in terms of topological invariants (1989);
  • topological edge states in chiral superconductors (1997);
  • observation of analog of chiral anomaly in 3He-A in collaboration with Manchester team (1997);
  • Majorana fermions in vortex core (1999), etc.

Superconductivity:

  • symmetry classification of superconducting states with Gor’kov (1986);
  • Volovik effect in superconductors with nodal lines including cuprate superconductors (1993);
  • spectral flow theory of vortex dynamics (1995);
  • high temperature superconductivity in systems with flat band with Kopnin (2011), etc.

Quantum turbulence:

  • observation of intrinsic velocity-independent criterion for superfluid turbulence with LTL (2003).

Disorder:

  • gauge theory of spin glasses with Dzyaloshinskii (1978);
  • prediction (1996) and observation with Kapitza Institute team (2010) of glass states of 3He-A in aerogel.

Gravitation, cosmology and high-energy physics:

  • Hawking radiation as semiclassical tunnelling (1999);
  • problems of vacuum energy and cosmological constant with Klinkhamer (2008-2011);
  • relation between masses of composite Higgs bosons with Zubkov (2013); etc.

Magnon BEC:

  • theory and experiments with LTL, Kapitza Institute and Grenoble teams on Bose condensation of magnons in superfluid 3He (1990-2014).

(Григорий Воловик: Топология в пространстве импульсов: от физики элементарных частиц до сверхпроводимости при комнатной температуре)

26 марта в 17:00 Григорий Воловик, лауреат премии Онзагера 2014 года — одной из самых престижных американских научных премий, — проведет семинар в Российском Квантовом Центре:

«Топологические среды – фермионные системы, свойства которых топологически защищены, то есть остаются неизменными при деформации параметров системы.

Мы обсудим класс бесщелевых топологических сред, включающих нормальные металлы, киральный сверхтекучий гелий (3He-A), графен, купратные высокотемпературные сверхпроводники, полуметаллы Вейля и квантовый вакуум Стандартной модели в своей симметричной фазе. Эти пространства имеют нули в фермионном энергетическом спектре, которые образуют поверхности Ферми, точки Вейля, линии Дирака и т. д. Нули топологически защищены, так как характеризуется топологическими инвариантами, выражающимися через функции Грина.

Вакуумы с точками Вейля служат основой для эффективных релятивистских квантовых теорий поля (КТП) при низких энергиях: вблизи точки Вейля в них одновременно возникают киральные фермионы, эффективные калибровочные поля и тетрадная гравитация со спиновой связью.

Возникающие при этом эффекты (киральная и гравитационная аномалия; киральный магнитный эффект и киральной вихревой эффект; электрослабый бариогенезис и т. д.) выражаются через топологические инварианты, защищенные симметриями.

Системы с вырожденными точками Вейля или Дирака могут содержать фермионы Дирака с нелинейным спектром: вместо конического касание имеет квадратичный, кубический и т. д. характер. Подобные системы создают КТП с анизотропной масштабной симметрией, модерирующие квантовую гравитацию Хорава-Лифшица.

Бесщелевые топологические носители показывают связь объем-поверхность и объем-вихрь: экзотические бесщелевые фермионы живут на поверхности системы или в центре топологических дефектов, где они создают дугу или плоскую зону Ферми.

Плоская энергетическая зона появляется, в частности, на поверхности полуметаллов с узловыми линиями в объеме: все электроны в плоской зоне имеют в точности нулевую энергию. Это существенно влияет на критическую температуру сверхпроводящего перехода в подобных носителях. В то время как во всех известных сверхпроводниках температура перехода экспоненциально подавлена как функция парного взаимодействия, в системах с плоскими зонами критическая температура пропорциональна парному взаимодействию, и соответственно может быть существенно выше. Таким образом, топология дает нам общий рецепт поиска или изготовления сверхпроводников при комнатной температуре.»

О докладчике

Григорий Ефимович Воловик родился в 1946 году. В 1970 году он окончил Московский физико-технический институт, г. Москва. В 1973 году защитил диссертацию в Институте теоретической физики им. Л.Д. Ландау (Москва), и с 1973 г. по настоящее время является сотрудником этого института; с 1993 г. также работает по совместительству в Лаборатории низких температур Хельсинского технологического университета (впоследствии переименована в Olli Lounasmaa Laboratory at Aalto University).

Лауреат премии Ландау (1992), Simon Prize (2004), Onsager Prize (2014). Член Финской академии (с 2001 г.) и Немецкой национальной академии Leopoldina (с 2007 г.)

Г.Е. Воловик опубликовал 350 научных статей, совокупная цитируемость 10 000+, индекс Хирша 45+. Автор книг "Экзотические свойства сверхтекучего 3He" (1992) и "Вселенная в капле гелия" (2003).

Основные научные достижения


Топологические дефекты:

  • квантовое туннелирование вихрей (1972): топологическая классификация дефектов (1976-78, совместно с Минеевым);
  • обнаружение топологических дефектов в сверхтекучем 3He в сотрудничестве с Лабораторией низких температур: вихри с ферромагнитным ядром (1982), вихрь скирмионов (1983), вихрь с асимметричным ядром (1991), солитон на спин-массовом вихре (1992), вихревая поверхность (1994), и т. д.

Топологическая материя и топологические явления:

  • точки Вейля в сверхтекучем 3He-А и появление киральных фермионов, калибровочных полей и гравитации (1986);
  • круговые силы в металлических ферромагнетиках (1987);
  • краевые состояния в топологическом 3He-В (1988);
  • квантовый и квантовый спиновой эффект Холла без магнитного поля в терминах топологических инвариантов (1989);
  • топологические краевые состояния в киральных сверхпроводниках (1997);
  • наблюдение аналога киральной аномалии в 3He-А в сотрудничестве с группой из Манчестера (1997);
  • майорановские фермионы в вихревом жгуте (1999), и т. д.

Сверхпроводимость:

  • классификация симметрий сверхпроводящего состояния (совместно с Горьковым, 1986);
  • эффект Воловика в сверхпроводниках с узловыми линиями, включая купраты (1993);
  • теория спектрального потока динамики вихрей (1995);
  • высокотемпературная сверхпроводимость в системах с плоской зоной (совместно с Копниным, 2011) и т. д.

Квантовая турбулентность:

  • обнаружение независящего от скорости критерия для турбулентности сверхтекучих сред (с Лабораторией низких температур, 2003).

Беспорядок:

  • калибровочные теории спиновых стекол (с Дзялошинским, 1978);
  • предсказание (1996) и наблюдение (с группой из института им. Капицы, 2010 г.) стекольных состояний состояние 3He-А в аэрогеле.

Гравитация, космология и физика высоких энергий:

  • излучение Хокинга как полуклассическое туннелирование (1999);
  • проблемы энергии вакуума и космологической постоянной (с Клинкхамером, 2008-2011 годы);
  • отношение между массами составных бозонов Хиггса (с Зубковым, 2013) и т. д.

Бозе-конденсат магнонов:

  • теория и эксперименты в 3He (с Лабораторией низких температур, институтом им. Капицы и группой из Гренобля) (1990-2014).


Lecture Courses | Курсы лекций