Наномагнетизм и спинтроника

Магистратура 2019/2020

Лучший по критерию «Полезность курса для Вашей будущей карьеры»

Лучший по критерию «Полезность курса для расширения кругозора и разностороннего развития»

Лучший по критерию «Новизна полученных знаний»

Статус: Курс по выбору (Физика)

Направление: 03.04.02. Физика

Кто читает: Базовая кафедра квантовых технологий Института общей физики им. А.М. Прохорова РАН

Где читается: Факультет физики

Когда читается: 1-й курс, 3, 4 модуль

Формат изучения: без онлайн-курса

Преподаватели: Звездин Анатолий Константинович

Прогр. обучения: Физика

Язык: русский

Кредиты: 5

Контактные часы: 50

Полная версия программы учебной дисциплины

Аннотация

Целями освоения дисциплины «Наномагнетизм и спинтроника» являются: • формирование базовых знаний в области квантовых технологий как дисциплины, интегри-рующей общефизическую и общетеоретическую подготовку физиков и обеспечивающей технологические основы современных инновационных сфер деятельности; • ознакомление с физическими основами квантовых технологий, с методами моделирования и экспериментальных реализаций в этой области; • формирование у студентов подходов к исследованиям в области квантовых технологий в рамках выпускных работ на степень магистра.

Цель освоения дисциплины

формирование базовых знаний в области квантовых технологий как дисциплины, интегрирующей общефизическую и общетеоретическую подготовку физиков и обеспечивающей технологические основы современных инновационных сфер деятельности;
ознакомление с физическими основами квантовых технологий, с методами моделирования и экспериментальных реализаций в этой области;
формирование у студентов подходов к исследованиям в области квантовых технологий в рамках выпускных работ на степень магистра.

Планируемые результаты обучения

знает спинтронику первого и второго поколения: основные физические представления и теоретические модели.
знает магнитоэлектрические свойства наноматериалов
знает физические основы и теоретические модели и применяет на практике

Содержание учебной дисциплины

Спинтроника первого и второго поколения: основные физические представления и теоретические модели.
Закон Мура. Предельные возможности микроэлектроники. Основные физические принципы, определяющие предельные возможности. Физическая структура и принцип работы биполярного и МОП транзисторов. Исторические аспекты. Интеграция. Характерные черты транспорта электронов в ферромагнетиках. Двухжидкостная модель Мотта. Открытие и механизм GMRэффекта. Роль длины свободного пробега и спин-зависимого рассеяния. Спин-зависимое рассеяние на поверхности и интерфейсах. Спиновый переключатель (spin-valve). Спин-зависимый туннельный эффект. Спинтроника. GMR-датчик магнитного поля. Спиновый переключатель (spin-valve). Спин-зависимый туннельный переключатель. Принцип действия считывающей головки жесткого диска, основанной на эффекте GMR. Магнитные GMR-сенсоры и их применения. Принцип действия магнитного биосенсора в сравнении с другими типами биосенсоров. Практические применения и экономические аспекты. Магнитная оперативная память MRAM (на примере продукции Freescale). Матричная архитектура и управляющие токовые шины. Эффект переноса спинового момента количества движения в магнитных наноструктурах. Спиновый ток. Эффект Садовского и оптическая аналогия. Основные эксперименты. Идея магнитного вращающего момента и модифицированное уравнение Ландау-Лифшица. Принцип работы ячейки MRAM, основанной на эффекте переноса спина. Спинтронные СВЧ-осцилляторы.
Магнитоэлектрические свойства наноматериалов
Принципы молекулярной электроники и спинтроники. Молекула между электродами- основные свойства, физические и технологические проблемы. Магнитные молекулы. Примеры. Бистабильность. Квантовый гистерезис. Макроскопическое квантовое туннелирование. Исследования в сильных магнитных полях. Идеи кубита. Квантовая информатика. Фотонные кристаллы. История вопроса. 1-D, 2-D, 3-D фотонные кристаллы. Примеры. Запрещенные и разрешенные зоны. Дисперсионные кривые. Зоны Бриллюэна. Уравнение Шредингера и аналогия с физикой твердого тела. Понятие о полной и стоп зонах. Изготовление фотонных кристаллов. Области применения и перспективы фотонных кристаллов. Нанофотоника. Локализация фотона вдоль линии. Фотонные волокна. Оптический резонатор внутри фотонного кристалла. Эффект Парселла. Управление скоростью спонтанной эмиссии. Управление оптическими свойствами фотонных кристаллов. Магнитные фотонные кристаллы. Магнитофотоника. Спин и поляризация фотонов. Гиротропные среды. Феноменология магнитооптических эффектов. Эффекты Фарадея и Керра. Магнитные дихроизм и двулучепреломление. История магнитооптических исследований в МГУ. Разновидности магнитных фотонных кристаллов. Магнитооптические функциональные устройства - Оптический изолятор. Модулятор интенсивности света. Магнитооптический циркулятор. Сенсор магнитного поля. Научные и практические перспективы проблематики.
Магнитная нанофотоника. Фотонные и плазмонные кристаллы. Физические основы и теоретические модели.
Нелинейные эффекты в нанофотонике и оптическая обработка информации. Оптическая бистабильность. Оптические изоляторы. Эффект суперпризмы. Интеграция в оптике и оптические микросхемы. Преимущества и недостатки оптической информатики.. Оптические свойства металлов - модель Друде. Плазменная частота и закон дисперсии объемных плазмонов. Диэлектрическая проницаемость, поглощение света. Типы плазмонов. Локализованные плазмоны. Сфера в электрическом поле. Решение электростатической задачи. Частота локализованного на сфере плазмона. Поляризуемость. Примеры. Плоская волна на поверхности раздела металлдиэлектрик. Решение уравнений Максвелла. Поверхностные плазмон-поляритоны. Закон дисперсии. Возбуждение поверхностных плазмонов-поляритонов. Методы возбуждения. Глубина проникновения поверностной электромагнитной волны в металл и диэлектрик. Плазмоника. Свойства материалов плазмоники. Перфорированные металлические пленки. Эффект экстраординарного прохождения света. Нанокластерные металлические пленки. Возбуждение поверхностных плазмонов-поляритонов. Каковы преимущества использования плазмонных устройств в интегральных оптических схемах?
Фемтомагнетизм и плазмоника. Физические основы и теоретические модели
Мультиферроики. Магнитоэлектрические преобразователи. Метаматериалы. История вопроса. Особенности преломления света в левых средах. Условие отсутствия отражения на границах поверхностей. Эффекты левых сред– плоская линза и «плащ невидимка». Научные и практические перспективы проблематики. Уравнение полупроводникового диода и фотоэлемента. Коэффициент преобразования солнечной радиации в электрическую энергию . Предел ШоклиКуиссер (Shokley-Queisser limit). Фотоэлектрические приборы 2-го и 3-го поколений. Плазмонные фотоячейки с эффективным захватом света. Наноматериалы. Органические полупроводники и полимеры. Структура и геометрия плазмонного фотопреобразователя. Тандемные системы. Сильные и слабые стороны полимерных солнечных элементов. Экономические аспекты проблемы. Фактор стоимость/мощность в исторической перспективе. Интенсивность солнечной радиации и географический фактор. Конкурентные аспекты в сравнении с другими энергетическими технологиями

Элементы контроля

Контрольная работа
Экзамен

Промежуточная аттестация

Промежуточная аттестация (4 модуль)
0.5 * Контрольная работа + 0.5 * Экзамен

Программа дисциплины