Институт теоретической физики им. Л.Д. Ландау


Российской академии наук

Направлено в печать

Parallel SPH modeling using dynamic domain decomposition and load balancing displacement of Voronoi subdomains

14 июня в 11:30

Maria S. Egorova, Sergey A. Dyachkov, Anatoliy N. Parshikov, Vasily V. Zhakhovsky

A highly adaptive load balancing algorithm for parallel simulations using particle methods, such as molecular dynamics and smoothed particle hydrodynamics (SPH), is developed. Our algorithm is based on the dynamic spatial decomposition of simulated material samples between Voronoi subdomains, where each subdomain with all its particles is handled by a single computational process which is typically run on a single CPU core of a multiprocessor computing cluster. The algorithm displaces the positions of neighbor Voronoi subdomains in accordance with the local load imbalance between the corresponding processes. It results in particle transfers from heavy-loaded processes to less-loaded ones. Iteration of the algorithm puts into alignment the processor loads. Convergence to a well-balanced decomposition from imbalanced one is improved by the usage of multi-body terms in the balancing displacements. The high adaptability of the balancing algorithm to simulation conditions is illustrated by SPH modeling of the dynamic behavior of materials under extreme conditions, which are characterized by large pressure and velocity gradients, as a result of which the spatial distribution of particles varies greatly in time. The higher parallel efficiency of our algorithm in such conditions is demonstrated by comparison with the corresponding static decomposition of the computational domain. Our algorithm shows almost perfect strong scalability in tests using from tens to several thousand processes.
Publications: arXiv:1805.05128v2 [physics.comp-ph] ; Computer Physics Communications, Volume 234, January 2019, Pages 112-125

Термальный эффект Холла как топологический инвараинт

7 июня в 11:30

Лев Сподынейко

We show that derivatives of thermal Hall conductance of a 2d lattice quantum system with respect to parameters of the Hamiltonian are well-defined bulk quantities provided correlators of local observables are short-range. This is despite the fact that thermal Hall conductance itself has no meaning as a bulk transport coefficient. We use this to define a relative topological invariant for gapped 2d lattice quantum systems at zero temperature. Up to a numerical factor, it can be identified with the difference of chiral central charges for the corresponding edge modes. This establishes bulk-boundary correspondence for the chiral central charge. We also show that for Local Commuting Projector Hamiltonians relative thermal Hall conductance vanishes identically, while for free fermionic systems it is related to the electric Hall conductance via the Wiedemann-Franz law.

Диссипативная и холловская вязкость неупорядоченного двумерного электронного газа

7 июня в 11:30

И.С. Бурмистров

Гидродинамический режим зарядового транспорта находится в фокусе теоретических и экспериментальных исследований элекронных систем в настоящее время. Особый интерес представляет недиссипативная холловская вязкость, которая для систем без беспорядка определяется топологией. Наличие беспорядка в реальных системах требует изучения его влияния на вязкость. В этой работе этот вопрос изучается, как аналитически, так и численно, для неупорядоченных невзаимодействующих двумерных электронов в перпендикулярном магнитном поле. Аналитический метод, который используется - это самосогласованное борновское приближение, явно учитывающее изменение одночастичной плотности состояний и времени упругого рассеяния из-за квантования Ландау. Полученные результаты интерполируют между известными предельными случаями слабого (сильного) магнитного поля и сильного (слабого) беспорядка. В режиме слабого магнитного поля наши результаты описывают квантовые (типа Шубникова-де Гааза) осцилляции диссипативной и холловской вязкости. Для сильных магнитных полей найдено влияние уширения уровней Ландау из-за беспорядка на коэффициенты вязкости. Наши аналитические результаты для высоких уровней Ландау дополняются численными расчетами для нескольких заполненных уровней Ландау. Наши результаты показывают, что холловская вязкость устойчива к беспорядку.

Формирование и затухание вихревых течений, генерируемых скрещенными поверхностными волнами

31 мая в 11:30

Парфеньев В.М., Филатов С.В., Бражников М.Ю., Вергелес С.С., Левченко А.А.

The mass-transport induced by crossed surface waves consists of the Stokes and Euler contributions which are very different in nature. The first contribution is a generalization of Stokes drift for a plane wave in ideal fluid and the second contribution arises due to the fluid viscosity and it is excited by a force applied in the viscous sublayer near the fluid surface. We study the formation and decay of the induced mass-transport theoretically and experimentally and demonstrate that both contributions have different time scales for typical experimental conditions. The evolution of the Euler contribution is described by a diffusion equation, where the fluid kinematic viscosity plays the role of the diffusion coefficient, while the Stokes contribution evolves faster, feeling the additional damping near the system boundaries. The difference becomes more pronounced if the fluid surface is contaminated. We model the effect of contamination by a thin insoluble liquid film presented on the fluid surface with the compression modulus being the only non-zero rheological parameter of the film. Then the Euler contribution into the mass-transport becomes parametrically larger and the evolution of the Stokes contribution becomes parametrically faster. The parameter is the same in both cases and it is equal to the quality factor of surfaces waves, which is modified by the presence of a surface film. We infer the value of the compression modulus of the film by fitting the results of transient measurements of eddy currents and demonstrate that the obtained value leads to the correct ratio of amplitudes of horizontal and vertical velocities of the wave motion and is in reasonable agreement with the measured dissipation rate of surface waves.

Эксперимент Бернулли с перезапуском

31 мая в 11:30

С.А. Белан

Как известно, перезапуск стохастического процесса может существенно сократить среднее время требуемое для его завершения. Этот эффект широко применяется для ускорения стохастических алгоритмов поиска и потенциально может быть использован для повышения скорости протекания химических реакций. Однако, в ряде случаев интерес представляет не длительность процесса, а то по какому сценарию этот процесс завершился. В докладе будет показано, как перезапуск влияет на вероятности реализации различных исходов стохастических процессов типа эксперимента Бернулли, то есть процессов с двумя альтернативными сценариями завершения. Особое внимание будет уделено классу задач, где специальным образом подобранная частота перезапуска максимизирует шансы на получение желаемого исхода. Проведенный анализ демонстрирует, что оптимально перезапускаемые процессы обладают рядом универсальных особенностей.

Специальная Кэлерова геометрия и теории Ландау-Гинзбурга

17 мая в 11:30

Константин Алешкин

Доклад по теме представляемой к защите кандидатской диссертации.

Aspects of quarkonium propagation in a thermal medium as seen by string models

17 мая в 11:30 (короткий доклад)

Олег Андреев

We use gauge/string duality to model a heavy quark-antiquark pair in a color singlet moving through a thermal plasma. In particular, we explore the effect of velocity on the string tension and Debye screening mass. Then we apply the results to the analysis of heavy quarkonium bound states. With some assumptions, we estimate the characteristic size of quarkonium and its dissociation temperature.

Реализация фермионных моделей в системах холодных атомов

19 апреля в 11:30

С. И. Матвеенко

Показано, что топологическое сверхтекучее состояние с p-спариванием (p_x + i p_y) может быть реализовано в двумерной оптической решетке фермионных полярных молекул. Для систем с однослойной и двухслойной геометрией вычисленные температуры фазовых переходов в сверхтекучее состояние оказались экспериментально достижимыми, порядка десятков нанокельвинов. [A.K. Fedorov, S.I. Matveenko, V. I. Yudson, G.V. Shlyapnikov , "Novel p-wave superfluids of fermionic polar molecules", Sci. Rep. 6, 27448; (2016).]
Исследована численно и аналитически фазовая диаграмма двуслойной системы фермионных полярных молекул с дисбалансом молекулярных плотностей в слоях. Для дисбаланса (эффективного магнитного поля), превышающего критическое значение, система переходит при достаточно низких температурах из состояния однородной сверхтекучей жидкости в состояния Ларкина-Овчинникова-Фульде-Феррелла с периодической структурой параметра порядка. В отличие от случая контактного взаимодействия с синглетным спариванием, диполь-дипольное взаимодействие генерирует ненулевую триплетную составляющую параметра порядка. [Hao Lee, S. I. Matveenko, Daw-Wei Wang, G. V. Shlyapnikov, "Fulde-Ferrell-Larkin-Ovchinnikov state in bilayer dipolar systems", Phys.Rev. A, 96, 061602(R) (2017)].
Исследована одномерной модель двухкомпонентного фермионного газа с сильным контактным отталкиванием частиц с противоположным спином и нелокальным притяжением фермионов с одинаковым спином. Модель может быть экспериментально реализована в системе холодных атомов. При этом параметры взаимодействия могут изменяться в широком диапазоне с помощью внешнего магнитного поля. Используя методы бозонизации и ренормгруппы, найдено основное состояние системы в зависимости от параметров взаимодействия. Показано, что при критическом значении нелокального взаимодействия происходит фазовый переход первого рода в состояние с ненулевой намагниченностью. [D. V. Kurlov, S. I. Matveenko, V. Gritsev, G. V. Shlyapnikov, "One-dimensional two-component fermions with contact even-wave repulsion and SU(2) breaking near-resonant odd-wave attraction", Phys. Rev. A, (принята в печать)].

О некоторых точных решениях цепочки Вольтерра

19 апреля в 11:30

В.Э. Адлер, А.Б. Шабат

Рассматриваются решения цепочки Вольтерра, удовлетворяющие стационарному уравнению для неавтономной симметрии. Показано, что динамика по $t$ и по $n$ описывается, соответственно, непрерывным и разностным уравнениями Пенлеве. Выделен класс начальных условий, приводящих к регулярным решениям. Для цепочки на полуоси показано, что эти решения выражаются через вырожденную гипергеометрическую функцию. Преобразование Ханкеля от коэффициентов соответствующего ряда Тейлора вычислено при помощи вронскианного представления решения.

CDD-множители в интегрируемых моделях, возмущенных операторами ток-ток

29 марта в 11:30

М.Ю. Лашкевич, Я.П. Пугай

Ф. Смирнов и А. Замолодчиков в работе 2016 года показали, что специальный класс иррелевантных возмущений (возмущений ток-ток) в интегрируемых моделях теории поля приводит к появлению в матрицах рассеяния частиц так называемых CDD-факторов, скалярных множителей, отвечающих неоднозначности решения уравнения Янга-Бакстера для S-матриц. Они рассматривали модель синус-Гордона и аналогичные модели с интегралами движения только нечетного спина. Мы находим CDD-факторы (в первом порядке по теории возмущений) для возмущений ток-ток на примере моделей, содержащих также интегралы движения четного спина, комплексной модели sh-Гордона и скейлинговой Z_N-симметричной модели Изинга. Тем самым мы обобщаем формулу Смирнова-Замолодчикова на случай нескольких частиц с диагональным рассеянием. Мы также получаем CDD-факторы для лоренц-неинвариантных возмущений такого типа. Технически мы используем представление свободными полями для формфакторов, разработанное нами ранее.

Судьба осколков образования Луны: геофизические следствия Гигантского столкновения

29 марта в 11:30

А.В. Бялко, М.И. Кузьмин (Институт геохимии СО РАН)

Наиболее вероятный сценарий образования Луны дается расчетами Гигантского столкновения (ГС) ПротоЗемли с протопланетой, по массе, близкой Марсу [1, 2]. Исходя из возраста земных и лунных цирконов, ГС произошло 4.4—4.5 млрд. лет назад, на 160—170 млн лет позже взрыва Сверхновой, задавшего изотопный состав Солнечной системы (СС). При ГС на бесконечность уходят газы и силикатные осколки с общей массой порядка 55-70% массы Луны. Однако бесконечность убегающих частиц есть бесконечность в земной системе отсчета, в СС эти осколки выходят на конечные орбиты с периодами как меньше, так и больше года. Важнейшая особенность их орбит в том, что все они проходят через узкую область земной орбиты, где происходило ГС. Там формируется газопылевой струйный поток, с затухающей интенсивностью он существует менее миллиона лет. Численными решениями задачи трех тел рассчитаны многочисленные траектории осколков. Оценены вероятности их столкновений с Землей и Луной в зависимости от времени после ГС, а также попадания в треугольные точки Лагранжа L4 и L5. Рассмотрены геофизические следствия этих столкновений.

1.Canup R.M. & Asphaug E. Origin of the Moon in a giant impact near the end of the Earth's formation, Nature, 412, 208–212 (2001).
2.Canup R.M. Simulations of a late lunar-forming impact, Icarus 168, 433–456 (2004).

Изучение потенциала поверхностного сцепления в жидких кристаллах методом клина Гранжана-Кано

22 марта в 11:30 (короткий доклад)

В.А. Беляков

Выполнены экспериментальные и теоретические исследования влияния поверхностного сцепления в клине Кано-Гранжана на распределение директора в индивидуальных зонах Кано-Гранжана. Для слабого поверхностного сцепления в первых зонах Кано-Гранжана обнаружено рекордно большое отклонение директора на поверхности клина от направлений легкой оси (до π/4). Измеренные распределения директора в первых зонах Кано-Гранджана дают указание на то, что реальный потенциал поверхностного сцепления отличается от широко используемого в физике жидких кристаллов потенциала Рапини-Популяр. Предложен новый модельный, так называемый, D-потенциал поверхностного сцепления. В целях наблюдения зон Кано-Гранжана без скачка ориентации директора на их границах предлагается наряду с достижением максимально слабого поверхностного сцепления достигать эффективного уменьшения силы поверхностного сцепления путем использования в эксперименте специальной геометрии, а именно, ячеек с неколлинеарной ориентацией легких осей на их поверхностях. Впервые были наблюдены зоны Кано-Гранжана без скачка ориентации директора на границах между ними, а также скачки цвета колец (линий) Ньютона на границах между зонами Кано-Гранжана со скачком ориентации директора. Дано теоретическое объяснение этим наблюдениям и, в частности, получена аналитическая формула для спектрального скачка цвета колец (линий) Ньютона на границах между зонами Кано-Гранжана со скачкома ориентации директора. В результате выполненных исследований также предложены условия эксперимента, обеспечивающие модельно независимое восстановление потенциала поверхностного сцепления в полном интервале углов его определения.
(сообщение основано на материалах статей: V.A. Belyakov, D.V. Shmeliova, S.V. Semenov, On the way of reconstruction of the liquid crystal surface anchoring potential Journal of Molecular Liquids 267, 151–157 (2018), С. В. Семенов, В. А. Беляков, ПОВЕРХНОСТНОЕ СЦЕПЛЕНИЕ И РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ДИРЕКТОРА В КЛИНЕ ГРАНЖАНА–КАНО, ЖЭТФ, 2018, том 153, вып. 5, стр. 838–844 ( 2018), V.A.Belyakov , D.V.Shmeliova, and S.V. Semenov, Studies of the Liquid Crystal Surface Anchoring Potential using Grandjean-Cano Wedge, LIQUID CRYSTALS (Published online: https://doi.org/10.1080/02678292.2018.1546412).

Общие особенности угловых диаграмм проводимости металлов в сильных магнитных полях и сложность угловых диаграммах магнитопроводимости в сильных магнитных полях

22 марта в 11:30

А.Я. Мальцев

Мы рассмотрим самые общие особенности угловых диаграмм проводимости в нормальных металлах со сложными поверхностями Ферми в присутствии сильных магнитных полей. Описание таких особенностей будет основано на топологическом описании динамической системы, возникающей для эволюции электронных состояний на поверхности Ферми в присутствии внешнего магнитного поля. Мы рассмотрим угловые диаграммы проводимости для нормальных (монокристаллических) металлов со сложными поверхностями Ферми в присутствии сильных магнитных полей. Поведение проводимости в этом случае сильно зависит от направления магнитного поля и устойчивые нетривиальные режимы такого поведения соответствуют при этом специальным зонам устойчивости на угловой диаграмме, отвечающим определенным (топологическим) свойствам тензора проводимости. Как мы покажем, в общем случае можно разделить такие диаграммы на два общих типа, простые (тип A) и сложные (тип B). Нас будут интересовать при этом диаграммы второго типа, обладающие рядом специфических особенностей (бесконечное число зон устойчивости, наличие хаотических режимов и т.п.), которые мы рассмотрим более подробно. По результатам работ: ЖЭТФ, т. 151, вып. 5, 944-973 (2017); ЖЭТФ, т. 152, вып. 5(11), 1053-1064 (2017) , ЖЭТФ, 154(6), 1183-1210 (2018)

Эргодические свойства динамических систем на двумерных поверхностях и электронные транспортные явления в нормальных металлах

22 марта в 11:30 (короткий доклад)

А.Я. Мальцев, С.П. Новиков

В докладе обсуждается связь специальных характеристик динамических систем на поверхностях (индексов Зорича - Концевича - Форни) с поведением проводимости в металлах в сильных магнитных полях. Данное рассмотрение является важным в случае возникновения наиболее сложных (хаотических) электронных траекторий на поверхности Ферми, возможном для достаточно сложных поверхностей и специальных направлений магнитного поля. Как можно показать, упомянутые характеристики имеют непосредственное отношение к поведению магнитопроводимости, таким образом, можно в принципе говорить о возможности их экспериментального определения в соответствующих случаях. По результатам работы: Труды МИАН, том 302, (2018) стр. 296–315