Цель проекта.
Разработка научно-обоснованных подходов к моделированию электронной структуры, статических и динамических свойств сложных физических и биологических систем, основанных на последних достижениях вычислительной математики, численных методов, современных методов теоретической физики, новейших экспериментальных данных и мирового опыта компьютерного моделирования.
Создание многоцелевых комплексов для компьютерного моделирования сложных физических и биологических сильнокоррелированных систем, включая сильноанизотропные квантовые магнетики, ультрахолодные атомы в оптических решетках, высокотемпературные сверхпроводники, биологические наносистемы, различные топологические и доменные структуры.
Разработка научно-обоснованных подходов к исследованию, описанию, моделированию и прогнозированию новых перспективных материалов для наноэлектроники и других областей современного материаловедения.
Разработка микротеории и объяснение оптических, магнитных, резонансных свойств конкретных сильнокоррелированных соединений на основе 3d ионов совместно с экспериментальными группами (физический и химический факультеты МГУ, физикотехнического институт им. Иоффе (Санкт-Петербург), институт физики металлов УрО РАН (Екатеринбург), институт химической физики твердого тела (Дрезден, Германия), институт физики твердого тела и материаловедения (Дрезден, Германия).
Актуальность. Теоретические исследования сильнокоррелированных систем направлены как на поиск новых экзотических квантовых фаз, таких как сверхтекучее твердое тело (supersolid) или различные топологические структуры, так и на выяснение природы и последовательное описание новых функциональных свойств, таких как высокотемпературная сверхпроводимость, колоссальное магнитосопротивление, аномальные магнитоэлектрические эффекты в мультиферроиках и др. Наличие в этих перспективных материалах многокомпонентных параметров порядка и конкурирующих взаимодействий приводит к многообразию фазовых состояний в зависимости от параметров взаимодействий, температуры, концентрации носителей и т.д. Последовательное микроскопическое описание фазовой диаграммы и физических свойств сильнокоррелированных систем является актуальной фундаментальной проблемой физики конденсированного состояния. К сожалению, так называемые "первопринципные" подходы, даже в наиболее продвинутых вариантах LDA+U и DMFT пока не могут претендовать на адекватное описание систем с сильными корреляциями, сосуществованием и конкуренцией зарядовых, орбитальных и спиновых степеней свободы. В этой связи наибольшие перспективы мы связываем с модельным псевдоспиновым описанием, основанным на выделении нескольких актуальных локализованных состояний, формирующих псевдоспиновый мультиплет, введении псевдоспинового гамильтониана и использовании как аналитических, так и численных методов спиновой физики, приближения молекулярного поля, спиновых волн, классического и квантового Монте-Карло, других методов квантовой теории магнетизма с широким использованием мирового опыта компьютерного моделирования. Авторский коллектив имеет определенный опыт работы с псевдоспиновыми моделями различных сильнокоррелированных систем, публикации в высокорейтинговых журналах. Одной из основных задач проекта является разработка и внедрение в практику НИР многоцелевых комплексов для компьютерного моделирования сложных s=1/2 и S=1 спиновых и псевдоспиновых 2D решеточных систем, включающих самые различные сильнокоррелированные системы от “жестких”(hard-core) и “полу-жестких”(semi-hard-core) бозонов, сильноанизотропных квантовых магнетиков, систем ультрахолодных атомов, до ВТСП купратов, а также 2D систем псевдо-ян-теллеровских электронноконформационных центров, моделирующие, в частности, кластеры ионных каналов в клетках. Наряду со стандартными для подобного проекта задачами - построение и обоснование эффективных псевдоспин-гамильтонианов, анализ фазовых диаграмм основного состояния и температурных фазовых диаграмм, фазовых переходов типа металл-изолятор и сверхпроводник-изолятор, расчеты термодинамических характеристик и структурных факторов, сравнение результатов аналитических расчетов с результатами компьютерного моделирования, сравнение различных модельных подходов (молекулярное поле, спиновые волны, квантовый Монте-Карло,…), ставится ряд оригинальных задач - исследование новых экзотических квантовых фаз, таких как сверхтекучее/сверхпроводящее твердое тело (supersolid), структуры неоднородных состояний, доменной структуры и доменных стенок, филаментарной сверхтекучести/сверхпроводимости, топологических дефектов, моделирование и исследование роли примесного потенциала, моделирование фотоиндуцированных фазовых переходов и электронно-конформационной динамики. Актуальность работы определяется перспективами использования результатов исследования для прогнозирования и создания новых материалов для современной техники, нового программного обеспечения, новых более совершенных вычислительных методов и методов компьютерного моделирования сложных физических систем от сильнокоррелированных материалов типа высокотемпературных сверхпроводников до биологических наносистем типа гигантских белков.
