• A
  • A
  • A
  • АБB
  • АБB
  • АБB
  • А
  • А
  • А
  • А
  • А
Обычная версия сайта
Аспирантура 2019/2020

Новые сверхпроводящие и магнитные материалы для наноэлектроники и квантового компьютера

Статус: Курс по выбору
Направление: 11.06.01. Электроника, радиотехника и системы связи
Когда читается: 1-й курс, 1 семестр
Формат изучения: без онлайн-курса
Преподаватели: Каган Максим Юрьевич
Язык: русский
Кредиты: 4
Контактные часы: 40

Программа дисциплины

Аннотация

Курс даёт возможность познакомиться с наиболее современным кругом идей и материалов, включая сверхпроводящие и магнитные материалы, нанотрубки и графен, висмут и дираковские полуметаллы, топологические изоляторы, слоистые и низкоразмерные структуры, материалы перспективные для наноплазмоники и оптоэлектроники, которые в недалёком будущем составят серьёзную конкуренцию традиционным полупроводниковым материалам сегодняшнего дня (таким, например, как кремний и германий) и станут основой квантовых битов в технологиях квантового компьютера будущего.
Цель освоения дисциплины

Цель освоения дисциплины

  • Целью освоения дисциплины является получение фундаментальных знаний в области физики конденсированного состояния и изучения новых материалов, углублённых представлений об электронной и атомно-кристаллической структуре твёрдых тел, физических свойствах и технических приложений сверхпроводящих и магнитных материалов в области электроники, энергетики и квантовой информатики. Кроме того, освоение дисциплины должно способствовать формированию профессиональных компетенций, определяемых профилем программы аспирантуры. Задачами курса является ознакомление с наиболее современным кругом идей и материалов, включая металлический водород и гидриды металлов, углеродные нано- трубки и графен, висмут и дираковские полуметаллы, топологические изоляторы, слоистые и низко-размерные структуры, гетеро- структуры и интерфейсы тонких плёнок, материалы перспективные для нано- плазмоники и оптоэлектроники, которые в недалёком будущем составят серьёзную конкуренцию традиционным полупроводниковым материалам сегодняшнего дня (таким , например, как кремний и германий) и станут основой квантовых битов в технологиях квантового компьютера будущего.
Планируемые результаты обучения

Планируемые результаты обучения

  • Знать: методы математического и компьютерного моделирования для описания физических процессов и явлений в конденсированных средах.
  • Уметь: выполнять теоретические и экспериментальные исследования в области физики конденсированного состояния и создания новых материалов с использованием современных программных комплексов
  • Иметь навыки в использовании современных методов математического и компьютерного моделирования физических процессов в области сверхпроводимости, магнетизма, нано- электроники и квантовой информатики;
Содержание учебной дисциплины

Содержание учебной дисциплины

  • Тема 1. Металлы и полуметаллы, полупроводники и диэлектрики.
    Кристаллическая и электронная структура. Поверхности Ферми. Электросопротивление.
  • Тема 2. Основы нанофизики.
    Неупорядоченные металлы и сплавы, стёкла. Основы нанофизики. Роль примесей и дефектов структуры. Мезоскопика и локализация. Нанокластеры и вакансионные поры в металлургии и атомной энергетике (при нейтронном облучении сталей и сплавов). Туннельный микроскоп.
  • Тема 3. Материалы с сильными электронными корреляциями.
    Базовые модели. Переход металл-диэлектрик. Локализация Мотта-Хаббарда и Фервея в узкозонных металлах и магнетите. Зарядовое упорядочение. Туннелирование. Прыжковая проводимость и перколяция.
  • Тема 4. Дираковские полуметаллы.
    Висмут. Топологические изоляторы. Зонная структура. Инверсия зон и поверхностная проводимость. Графен. Уникальные физические свойства и применения в оптоэлектронике.Углеродные нанотрубки. Фуллерены («футбольные мячи» С60).
  • Тема 5. Сильноточная и слаботочная сверхпроводящая электроника.
    Металлический водород. Сверхпроводимость при комнатной температуре и применения в энергетике. Эффект Джозефсона на постоянном и переменном токе. Андреевское отражение и андреевские уровни на границе нормального и сверхпроводящего металла.
  • Тема 6. Квантовые приборы для космических применений.
    Сверхпроводящие джозефсоновские датчики, болометры и смесители. Термопары для регистрации реликтового излучения современными телескопами.
  • Тема 7. Сверхпроводящая реализация квантового компьютера.
    Нелинейный LC- контур. Электротехническая аналогия Лихарева. Двухуровневые системы и кубиты. Куперовские пары и запутанные состояния. Сверхпроводящая реализация квантового компьютера. Потенциал стиральной доски. Фазовый и зарядовый сверхпроводящие кубиты. Бозе-конденсация и квантовые газы. Реализации квантового компьютера на холодных атомах и ионах в магнитных и дипольных ловушках.
  • Тема 8. Спинтроника.
    Колоссальное и гигантское магнетосопротивление. Слоистые материалы. Мультиферроики. Управление спиновыми токами. Магнитозапись. Спинтроника. Магнитные наноматериалы. Спиновые лестницы. Неупорядоченные (фрустрированные) магнитные материалы. Спиновые стёкла и спиновый лёд. Магнитная реализация квантового компьютера на больших магнитных молекулах.
  • Тема 9. Наноплазмоника.
    Наноплазмоника. Поверхностные волны и плазмонные резонансы. Диэлектрическая проницаемость. Нанокомпозиты. Технологии Стеллс. Приборы для рамановской спектроскопии. Диагностические применения в медицине. Нанофотоника. Оптическая реализация квантового компьютера на запутанных фотонах.
  • Тема 10. Гетероструктуры и инверсные слои.
    Гетероструктуры и инверсные слои. P-n переход. Размерное квантование. Квантовый эффект Холла. Измерение константы сверхтонкого взаимодействия. Применения в полупроводниковых интегральных схемах и метрологии. Светодиоды. Квантовые ямы и квантовые точки. Экситонные изоляторы и бозе-конденсация экситонов в полуметаллах и гетероструктурах. Полупроводниковая реализация квантового компьютера на пространственно-разделённых квантовых ямах.
Элементы контроля

Элементы контроля

  • неблокирующий Реферат
    Реферат пишется самостоятельно и может охватывать новейшие результаты научных исследований по следующим направлениям: дираковские полуметаллы, графен, колоссальное и гигантское магнетосопротивление, спинтроника, нанофотоника и наноплазмоника, кулоновская блокада и сверхпроводящая и магнитная реализация квантового компьютера
  • неблокирующий Домашнее задание
    Задание выдается каждому аспиранту индивидуально и представляет собой комплексное задание, охватывающее основные разделы курса. Домашнее задание выполняется в письменной форме и содержит задачи по следующим тематикам: электронная структура и физические свойства металлов и полуметаллов, диэлектриков и полупроводников, сверхпроводников и магнетиков.
  • неблокирующий Экзамен
    В ходе освоения дисциплины формируются следующие компетенции: <b>ОПК-1, ОПК-2, ПК-3, ПК-4, ПК-5, ПК-6</b>
  • неблокирующий Самостоятельная работа
    Аспиранты занимаются самостоятельной подготовкой к практическим занятиям и экзамену по заданным темам с использованием материалов лекций и рекомендованной литературы, пишут реферат и выполняют домашнее задание.
Промежуточная аттестация

Промежуточная аттестация

  • Промежуточная аттестация (I семестр)
    0.25 * Домашнее задание + 0.25 * Реферат + 0.5 * Экзамен
Список литературы

Список литературы

Рекомендуемая основная литература

  • Физика полупроводниковых приборов : учеб. пособие для вузов, Лебедев, А. И., 2008
  • Физика полупроводниковых приборов микроэлектроники : учеб. пособие для вузов, Старосельский, В. И., 2009

Рекомендуемая дополнительная литература

  • Mooij, J. E., & Nazarov, Y. V. (2006). Superconducting nanowires as quantum phase-slip junctions. Nature Physics, 2(3), 169–172. https://doi.org/10.1038/nphys234
  • Rastelli, G., Vanevic, M., & Belzig, W. (2014). Quasiperiodicity and revivals in dynamics of quantum phase slips in Josephson junction chains and superconducting nanowires. Retrieved from http://search.ebscohost.com/login.aspx?direct=true&site=eds-live&db=edsbas&AN=edsbas.37A7EF6A
  • Введение в физику твердого тела, Киттель, Ч., 1978
  • Полупроводниковые интегральные схемы памяти на биполярных транзисторных структурах, Валиев, К. А., 1979
  • Физические основы субмикронной литографии в микроэлектронике, Валиев, К. А., 1984