Нелокальная фотоника – это новое научное направление, которое изучает взаимодействие света со средами, обладающими сильной пространственной дисперсией. Учет пространственной дисперсии (или пространственной нелокальности) приводит к существенно новым физическим принципам взаимодействия света и вещества. В частности, в нелокальных средах возникают непрямые оптические переходы, обусловленные пространственным синхронизмом электронов и фотонов, локализованных вблизи структурных неоднородностей. В основе данного явления лежит увеличение импульса фотонов при их пространственной локализации.
Примером нелокальных сред являются двойные системы «кристалл-жидкость», структура которых обладает дальним порядком и локальным беспорядком. К таким системам относятся галоидные перовскиты, жидкие кристаллы, коллоидные системы, высокоэнтропийные кристаллы, полимеры, вода, мицеллы, белки и т.д. [1, 2].
В докладе будут рассмотрены такие полупроводники как кремний [3] и металл-галоидные перовскиты [4], в которых наблюдается широкополосное неупругое рассеяния света, известного как электронное комбинационное рассеяние света [1-3]. Будет показано, что электронное рассеяние света вызывает аномальное увеличение показателя преломления гетерогенных сред и приводит к их оптическому нагреву. В лекции будут рассмотрены некоторые приложения в области оптоэлектроники, фотовольтаики и биомедицины.

[1] S. S. Kharintsev, E. I. Battalova, V. Mkhitaryan, V. M. Shalaev. How near-field photon momentum drives unusual optical phenomena: opinion // Optical Materials Express, 2024. – V. 14. – P. 2017-2022.
[2] S. S. Kharintsev, E. I. Battalova, A. I. Noskov, J. Merham, E. O. Potma, D. A. Fishman. Photon-Momentum-Enabled Electronic Raman Scattering in Silicon Glass // ACS Nano 2024, – V. 18. – P. 9557–9565
[3] S. S. Kharintsev, A. I. Noskov, E. I. Battalova, L. Katrivas, A. B. Kotlyar, J. G. Merham, E. O. Potma, V. A. Apkarian, D. A. Fishman. Photon Momentum Enabled Light Absorption in Silicon // ACS Nano 2024, – V. 18. – P. 26532–26540
[4] S. S. Kharintsev, E. I. Battalova, I. A. Matchenya, A. G. Nasibulin, A. A. Marunchenko, A. P. Pushkarev. Extreme Electron-Photon Interaction in Disordered Perovskites // Adv. Sci. 2024, – V. 11. – P. 2405709.

В докладе дан обзор наиболее интересных и парадоксальных результатов экспериментальных исследований двумерных топологических изоляторов и полуметаллов на основе HgTe квантовых ям. Если говоритьо свойствах двумерного ТИ, то к ним можно отнести отсутствие в нем эффектов топологической защиты от обратного рассеяния, а также реализация нескольких сценариев андерсоновской локализации. В двумерных полуметаллах новые эффекты возникают при наличии сильного беспорядка. Обнаружена двухступенчатая андерсоновская локализация в объеме квантовой ямы, когда первыми локализуются двумерные дырки, как частицы с почти на порядок большей эффективной массой, чем у электронов. Затем происходит локализация электронов. Установлено, что при температуре ниже 0.5 К вызванный локализацией экспоненциальный рост сопротивления прекращается и происходит переход к режиму доминирующего одномерного (1D) транспорта с металлическим поведением сопротивления. Подобный факт указывает на отсутствие эффектов одномерной локализации. Это означает, что в квантовых ямах с инверсным спектром отсутствует топологическая защита от локализации электронов и дырок в объеме квантовой ямы, в то время как одномерные краевые токовые состояния топологически защищены от нее. Следовательно, можно говорить о новом типе 2D топологического изолятора - 2D топологическом андерсоновском изоляторе. Заключительная часть доклада посвящена описанию аномальных мезоскопических флуктуаций кондактанса, возникающих в результате тонкой игры беспорядка и электронно-дырочного взаимодействия.

Известно, что в магнитоупорядоченных средах, допускающих описание в терминах непрерывного векторного поля локальной намагниченности, могут существовать стабильные топологически нетривиальные магнитные состояния. Они соответствуют различным отображениям сферы на сферу. Целевая сфера -- множество точек на которых лежат концы векторов намагниченности (фиксированной длины), а исходная сфера -- пространство с наложенными периодическими граничными условиями на бесконечности. Одномерные (зависящие только от одной пространственной координаты) конфигурации соответствуют отображениям $S^1\to S^2$, двумерные (солитоны Белавина-Полякова) отображениям $S^2\to S^2$, а трёхмерные (магнитные хопфионы) отображениям $S^3\to S^2$. Все они распадаются на пронумерованные целыми числами (задающими количество солитонов в системе) гомотопические классы. Доклад посвящён вопросам стабильности, равновесия и (немного) динамики таких конфигураций, рассматриваемых с позиций теории микромагнетизма. Основные представленные результаты изложены в работах [1-5], но будут и более новые.

[1] K. L. Metlov, Simple analytical description of the cross-tie domain wall structure, Appl. Phys. Lett. 79(16) 2609 (2001).
[2] K. L. Metlov, Magnetization patterns in ferromagnetic nano-elements as functions of complex variable, Phys. Rev. Lett. 105(10) 107201(2010).
[3] K. L. Metlov, Equilibrium large vortex state in ferromagnetic disks, J. Appl. Phys. 113(22) 223905 (2013).
[4] K. L. Metlov, Vortex mechanics in planar nanomagnets, Phys. Rev. B. 88(1) 014427 (2013).
[5] K. L. Metlov, Two types of metastable hopfions in bulk magnets, Physica D 443, 133561 (2023).

В модели 'т Хофта (планарном пределе двумерной квантовой хромодинамики) спектр частиц-"мезонов" определяется решением одноименного интегрального уравнения. Для некоторых значений параметров (масс составляющих "мезон" кварков) Фатеев-Лукьянов-Замолодчиков, сведя задачу к уравнению типа TQ-уравнения Бакстера, смогли получить непертурбативные аналитические результаты, такие, как выражения для спектральных сумм, а так же систематическое (1/n)-разложение для собственных значений. Мы обобщаем использованный ими метод на случай произвольных кварковых масс. Полученные нами формулы подтверждаются численным решением, а также известными из других подходов аналитическими выражениями в предельных случаях. Доклад основан на совместной работе 2504.12081 с А. Литвиновым и П. Мещеряковым.

Мы аналитически и численно исследуем статистические свойства динамики жестких сферических частиц с нейтральной пдавучестью. Частицы помещены в турбулентный поток с сильной сдвиговой составляющей. В качестве простейшей модели мы рассматриваем сдвиговой поток осесимметричного вихря с турбулентными флуктуациями и вычисляем распределение частиц от расстояния до центра вихря. Мы представляем количественные результаты, полученные в рамках модели точечной частицы с флуктуациями, которые коррелированы во времени.

В трехмерных турбулентных течениях вращающейся жидкости, где сила Кориолиса преобладает над силами инерции, наблюдается (экспериментально [1] и численно [2]) формирование столбовых вихрей - крупномасштабных когерентных долгоживущих потоков, однородных вдоль оси вращения. В работе мы строим аналитическую модель, описывающую как осесимметричное течение вихря поддерживает себя за счет поглощения инерционных волн. Изучается случай накачки, когда инерционные волны попадают в вихрь с периферии системы, где возбуждается турбулентность. В пределе коротких длин волн и малой вязкости нами показано, что при движении квазимонохроматическая волна, пришедшая в вихрь, передает тому свою энергию и импульс только в узкой окрестности критического слоя [3], который формируется для нее средним сдвиговым течением. В докладе мы представляем определение поперечной компоненты тензора Рейнольдса, усредненной по ансамблю волн, которая задает профиль скорости вихря [4]. [1] D.D. Tumachev, A.A. Levchenko, S.S. Vergeles, S.V. Filatov, Observation of a large stable anticyclone in rotating turbulence, PoF, 36(12), 126620 (2024). [2] Seshasayanan, K. & Alexakis, A. Condensates in rotating turbulent flows. JFM, 841, 434–462 (2018). [3] Haynes, P., 2015. Critical Layers. In: G. R. North et al., Encyclopedia of Atmospheric Sciences, 2nd edition, Vol 2. [4] I.V. Kolokolov, L.L. Ogorodnikov, and S.S. Vergeles, Structure of coherent columnar vortices in three-dimensional rotating turbulent flow, Phys. Rev. Fluids 5, 034604 (2020).