پژوهش های نوین فیزیک

چکیده پایش دقیق و کمّی رفتار حیوانات آزمایشگاهی، به ویژه مدل‌های حیوانی علوم اعصاب، اهمیت بسیاری در درک عملکرد مدارهای عصبی و ارتباط آن‌ها با رفتارهای پیچیده دارد. در رفتارشناسی محاسباتی، با هدف خودکارسازی، افزایش دقت و کاهش وابستگی مطالعات به ناظر انسانی و تکرارپذیری نتایج، سیستم‌ها و الگوریتم‌های پردازشی نوینی در حال توسعه‌اند. در این پژوهش، سیستمی متشکل از دوربین‌های بررسی رفتار محیطی و یک ایمپلنت مینیاتوری با قابلیت کاشت بر روی جمجمه موش صحرائی، طراحی و ساخته شده که حرکات بدن حیوان، مردمک چشم و زوایای حرکتی سر را ثبت می‌کند. ایمپلنت دارای حسگر IMU برای اندازه‌گیری شتاب و حرکت زاویه‌ای سر و دوربین مادون‌قرمز برای مردمک‌سنجی می‌باشد که وزن نهایی آن حدود 4.5 گرم است. همچنین نرم‌افزاری برای پردازش و مصوّرسازی داده‌های رفتاری توسعه داده شده‌است. از ترکیب داده‌های شتاب‌سنج و ژیروسکوپ برای محاسبه زوایای اویلری سر حیوان و از روش‌های بینایی ماشین سنتی و شبکه‌های عصبی عمیق برای پردازش تصاویر استفاده می‌شود. الگوریتم‌های آستانه‌گذاری و لبه‌یابی، سرعت پردازش ۲۵ فریم بر ثانیه را برای ردیابی مردمک موش‌های رنگدانه‌دار و مرکز بدن فراهم می‌کنند که برای کنترل حلقه-بسته سیستم‌های عصبی مناسب است. برای تخمین حالت بدن و بررسی مردمک موش‌های زال، شبکه عصبی DeepLabCut همراه با روش‌های تقویت داده و یادگیری انتقالی استفاده شده که خطای مدل مردمک‌سنجی به ازای ۴۴۸ تصویر برچسب‌گذاری‌شده و ۳۰,۰۰۰ دور آموزشی، به ۳.۳۱ پیکسل کاهش یافته‌است. روش‌های یادگیری عمیق با وجود دقت بالا، بار پردازشی بالایی نیز دارند. لذا الگوریتم پردازشی مناسب با توجه به هدف آزمایش و سخت‌افزار در دسترس، انتخاب می‌شود. این سیستم چندگانه مطالعه رفتاری، قابلیت استفاده هم‌زمان با تکنیک اپتوژنتیک و ثبت‌های الکتروفیزیولوژی داشته و ابزاری مفید برای مطالعات علوم شناختی فراهم می‌کند.

چکیده در این پژوهش با استفاده از رویکرد یادگیری ماشین به پیش بینی گاف انرژی
دسته ای از مواد نیمه رسانا پرداخته شده است. هدف اصلی پژوهش بر این مبنا
بوده که با تلفیق روش های مختلف در یادگیری ماشین، سعی بر ارائه روشی
کارآمد در پیش بینی گاف انرژی مواد داشته باشیم. روش انباشته یک روش
جدید در میان آلگوریتم های یادگیری ماشین می باشد که با بهره گیری از روش
های مرسوم، تلفیق آنها با یکدیگر و استفاده از مزیت هریک از روش های آماری
روشی کارآمد و با دقت باالتر نسبت به هریک از روش های مورد استفاده، می
باشد. با استفاده از روش ه ایی چون از درخت تصمیم تقویت گرادیان، تقویت
گرادیان سبک، جنگل تصادفی و تقویت گرادیان حداکثری یک مدل ترکیبی
انباشته ارائه داده ایم که نتایج شبیه سازی بهتری نسبت به هریک از روش های
نام برده ارائه کرده است.

چکیده فیزیک پلاسمای کلاسیک عمدتاً بر رژیم‌هایی متمرکز است که با دماهای بالا و چگالی‌های پایین مشخص می‌شوند و در آنها اثرات مکانیک کوانتومی عملاً قابل چشم‌پوشی است. با این حال، پیشرفت‌های فناورانه‌ی اخیر، به‌ویژه در زمینه‌ی دستگاه‌های نیمه‌رسانا و ساختارهای نانومقیاس، موجب شده‌اند که امکان بررسی و پیش‌بینی کاربردهای عملی فیزیک پلاسما در شرایطی فراهم شود که ماهیت کوانتومی ذرات نقشی اساسی ایفا می‌کند. در این پژوهش، رویکردهای گوناگونی برای مدل‌سازی اثرات کوانتومی در پلاسماهای الکترواستاتیکی بدون برخورد مورد بررسی قرار گرفته‌اند. مدل جنبشی کامل این پدیده‌ها بر پایه‌ی معادله‌ی ویگنر بنا شده است، که همتای کوانتومی معادله‌ی ولاسوف در فیزیک کلاسیک به شمار می‌رود. فرمالیسم ویگنر از این جهت برانگیزنده‌ی توجه است که نظریه‌ی مکانیک کوانتومی را در قالب فضای فاز آشنا و کلاسیک بازنمایی می‌کند، هرچند این بازنمایی با چالش وجود توابع توزیع گاه منفی همراه است. از دیدگاهی معادل، می‌توان مدل ویگنر را بر حسب مجموعه‌ای از N معادله‌های شرودینگر تک‌ذره‌ای، همراه با معادله‌ی پواسون، بازنوشت، که این توصیف همان فرمالیسم هارتری محسوب می‌شود و همبستگی نزدیکی با رویکرد چندجریانی در فیزیک پلاسمای کلاسیک دارد. برای کاهش پیچیدگی‌های ذاتی در این رویکردهای جنبشی، می‌توان با در نظر گرفتن گشتاورهای معادله‌ی ویگنر در فضای سرعت–مکان، یک مدل سیال کوانتومی استخراج کرد. چنین مدل‌هایی امکان بررسی رفتار جمعی ذرات را با دقت مناسب و در چارچوبی ساده‌تر فراهم می‌سازند. افزون بر این، در برخی رژیم‌های خاص که به انرژی‌های تحریک بالا مربوط می‌شوند، می‌توان از مدل‌های جنبشی نیمه‌کلاسیک نوع ولاسوف–پواسون استفاده کرد، به شرط آنکه حالت پایه‌ی اولیه سامانه بر اساس اصول مکانیک کوانتومی در نظر گرفته شود. مدل‌های مذکور در هر دو چارچوب خطی و غیرخطی مورد اعتبارسنجی و مقایسه قرار گرفته‌اند و نتایج آن‌ها نشان می‌دهد که ترکیب توصیف‌های کوانتومی و کلاسیک، درک عمیق‌تری از رفتار پلاسما در مقیاس‌های ریز و شرایط شدید فراهم می‌کند.

چکیده بر مبنای نظریه­ی تابعی چگالی و تقریب GGA، با اعمال پتانسیل بهبود یافته­ TB-mbJ خواص ساختاری، الکترونی، اپتیکی و پایداری ترمودینامیکی ترکیب­های نیم­هویسلریXVSi(X=Co, Rh) و فیلم­های]001 [ آن­ها مورد مطالعه قرار­گرفت. این دو ترکیب هویسلری با بروز رفتار نیمه رسانایی غیر­مغناطیسی در ساختار مکعبی نوع MgAgAs-با گروه فضایی F4-3m پایدار می­باشند. به واسطه­ی دریافت پاسخ­های خوب قسمت­های حقیقی و موهومی تابع دی­الکتریک برای CoVSi و RhVSi در محدوده­ی طیف مرئی و پایین بودن تابع اتلاف الکترونی، این دو هویسلر برای کاربردهای اپتیکی در این محدوده­ی انرژی مناسب خواهند بود. بررسی نمودار پایداری فازی فیلم­های]001 [این ترکیب­ها نشان داد که هر 6 پایانش ممکن به لحاظ ترمودینامیکی پایدار خواهند بود. ساختار الکترونی این فیلم­ها نشان دهنده­ی ظهور رفتار نیمه فلزی مغناطیسی فقط برای دو پایانش]001 V-Si:CoVSi [و ]001 V-Si:RhVSi [می­باشند. پاسخ­های تابع دی الکتریک و نیز طیف جذب این دو پایانش شبیه به حالت بالکی است اما با شدت کمتر، در حالیکه اتلاف الکترون در این دو فیلم نسبت به بالک افزایش یافته است.

چکیده ابررساتای SmBa₂Cu₃O_7-δ (SBCO) با استفاده از روش واکنش حالت جامدی و هم‌چنین نانوذرات آلومینا
(γ-Al₂O₃) به­روش سل- ژل خوداحتراقی با اندازۀ متوسط nm70 ساخته و با نانوذرات آلومینای (Al₂O₃) شرکت سیگما با اندازۀ متوسط nm50 مقابسه شدند. سپس ابررسانای SBCO را با درصدهای مختلف از نانوذرات آلومینا آلایش داده و خواص آن بررسی شدند و هم‌چنین ضریب اکسیژن نمونه­های ساخته شده به­روش تیتراسیون یدمتری اندازه‌گیری شد. نتایج به­دست آمده نشان دادند که با آلایش ابررسانا با نانوذرات آلومینا، ضریب اکسیژن و دمای بحرانی نمونه­ها کاهش می‌یابد. در بررسی نمودار مقاومت ویژه بر حسب دما، نمونه­ها در حالت عادی رفتار نیم­رسانایی نشان دادند، یعنی با افزایش دما، مقاومت ویژه کاهش یافت. هم‌چنین مشاهده شد که چگالی جریان بحرانی نمونه با 1_/0 درصد آلایش وزنی، افزایش چشم‌گیری داشت، اما با افزایش درصد آلایش کاهش پیدا کرد. الگوهای پراش اشعۀ X نمونه­های آلایش داده شده نشان دادند که نانوذرات آلومینا در فرایند ساخت تجزیه نشده و در نتیجه در ساختار بلوری ابررسانا وارد نشده­اند. برخی از قله­های ابررسانا در الگوی پراش اشعۀ X نمونه­های آلاییده حذف شده و پهنای قله­ها نسبت به­نمونۀ خالص بیش‌تر شده است. بررسی تصویرهای SEM نمونه­های آلاییده نشان داد که نانوذرات آلومینا روی دانه­ها و مرزدانه­های ابررسانا جای گرفته‌اند.

چکیده درهم­تنیدگی، یکی از ویژگی­های اصلی مکانیک کوانتومی است که می­تواند برای انتقال حالات کوانتومی استفاده شود. در این رابطه بسیاری از سیستم­های حالت جامد (به ­عنوان مثال نقاط کوانتومی) می­توانند به­ عنوان پردازنده­های اطلاعات کوانتومی استفاده شوند. با این حال، مدل­سازی حالت جامد از سیستم­های بس­ذره­ای دقیق اغلب محاسباتی سخت دارد، از این رو از تقریب استفاده می­شود. در این کار روش محاسبۀ درهم­تنیدگی حالت پایۀ سیستم­های بس­ذره­ای را با استفاده از نظریۀ تابعی چگالی مطرح می­کنیم، به­ همین منظور ابتدا چگالی بارالکتریکی را محاسبه و سپس درهم­تنیدگی­های مورد نظر را با محاسبۀ آنتروپی خطی بررسی می­کنیم. سیستم مورد بررسی اتم هوک است که پس از محاسبۀ چگالی بارالکتریکی این سیستم به ازای فرکانس‌های مختلف، تغییرات درهم­تنیدگی این سیستم را با فرکانس به­دست آوردیم. نتایج نشان­دهندۀ آن است که با کاهش فرکانس در مدل اتم هوک با توجه به کاهش پتانسیل، درهم­تنیدگی نیز کاهش می­یابد.

چکیده در رژیم نسبیتی و برای زمانی‌ که لاگرانژی در دسترس است، روشی برای استخراج نسخه نسبیتی هامیلتونی پیشنهاد می‌دهیم و نشان می‌دهیم که یک تبدیل کوچک در تعریف لاگرانژی برای رسیدن به این هدف کافی خواهد بود. توانایی هامیلتونی به دست آمده در توصیف نظریه میدان‌ها را بررسی نموده و با استناد به تکانه‌های کانونیک و مکانیکی، نظریه‌های مورد نظر را بازتولید خواهیم کرد. از هامیلتونی نسبیتی به دست آمده در دو رهیافت متفاوت نظریه میدان‌های بوزونی و فرمیونی را می‌سازیم و هم‌ریشه بودن آن‌ها را روشن می‌کنیم. مکانیزم تبدیل لژاندرِ روی لاگرانژی از فضای پیکربندی به فضای فاز و بالعکس را به دست آورده و ضرب پوآسون را تعمیم می‌دهیم. بعد از استخراج هامیلتونی و معادلات حرکت منسوب به هامیلتون نسبیتی، فضای فاز را گسترش داده و نشان می‌دهیم که ایجاد فضای فاز دوگان به همراه باز تعریف مشتق‌گیرها روی فضای فاز دوگان و فضای فاز اصلی و ایجاد تغییر در ساختار ضرب پوآسون لازم خواهد بود تا به ضرب پوآسون نسبیتی نزدیک شویم. مشخص می‌شود که وجود فضای فازِ کامل ناوردای لورنتسی، مستلزم اصلاح نظریه کلاسیک و رسیدن به هامیلتونی نسبیتی نیز موثر است.