Прикладная сверхпроводимость и магнетизм

Магистратура 2019/2020

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

Лучший по критерию «Новизна полученных знаний»

Статус: Курс по выбору (Материалы. Приборы. Нанотехнологии)

Направление: 11.04.04. Электроника и наноэлектроника

Кто читает: Департамент электронной инженерии

Где читается: Московский институт электроники и математики им. А.Н. Тихонова

Когда читается: 1-й курс, 1-3 модуль

Формат изучения: без онлайн-курса

Преподаватели: Каган Максим Юрьевич, Попова Елена Арнольдовна, Пудалов Владимир Моисеевич

Прогр. обучения: Материалы. Приборы. Нанотехнологии

Язык: русский

Кредиты: 5

Контактные часы: 92

Полная версия программы учебной дисциплины

Аннотация

Магнетизм и сверхпроводимость – квантовые кооперативные явления. В нанообъектах также проявляются квантовые свойства вещества. Описание всех квантовых кооперативных явлений на основе единого подхода - фундаментальная задача физики конденсированного состояния. Курс «Прикладная сверхпроводимость и магнетизм» направлен на формирование современных представлений в области магнетизма, сверхпроводимости и нанофизики. В ходе изучения курса студенты получат навыки теоретического и экспериментального анализа явлений, происходящих в нанообъектах, магнитоупорядоченных и сверхпроводящих веществах. При обучении предусмотрен контроль знаний студентов в виде учета активности студентов на семинаре, коллоквиума, домашнего задания, контрольной работы и экзамена.

Цель освоения дисциплины

Целью курса является формирование современных представлений в области магнетизма, сверхпроводимости и нанофизики.

Планируемые результаты обучения

Знает: - современные представления в области магнетизма, механизмы реализации магнитоупорядоченного состояния и магнитные свойства магнетиков; - методы исследования магнитоупорядоченных состояний.
Знает: - основные положения мезоскопической физики; - особенности транспорта носителей в наносистемах.
Знает: - основы физики сверхпроводимости; - базовые модели высокотемпературной сверхпроводимости; - особенности спиновой и зарядовой подсистем в системах различной размерности.
Умеет: - анализировать экспериментальные данные в области магнетизма; - применять математический аппарат квантовой механики к конкретным задачам в теории магнетизма.
Владеет: - навыками теоретического и экспериментального анализа квантовых кооперативных явлений; - навыками использования методов теоретического и экспериментального исследования физических процессов и явлений в магнетиках.
Умеет: - анализировать экспериментальные данные в области мезоскопической физики; - применять математический аппарат квантовой механики к конкретным задачам нанообъектов.
Владеет: - навыками теоретического и экспериментального анализа квантовых кооперативных явлений; - навыками использования методов теоретического и экспериментального исследования физических процессов и явлений в нанообъектах.
Умеет: - анализировать экспериментальные данные в области сверхпроводимости; - применять математический аппарат квантовой механики к конкретным задачам в теории сверхпроводимости.
Владеет: - навыками теоретического и экспериментального анализа квантовых кооперативных явлений; - навыками использования методов теоретического и экспериментального исследования физических процессов и явлений в сверхпроводниках.

Содержание учебной дисциплины

Тема 2. Нанофизика.
Введение в мезоскопическую физику. 2-, 1- и 0- мерные системы: - Волновая механика свободных и ограниченных в пространстве электронов. - Методы создания двумерные, одномерных и нуль-мерных систем. - Плотность состояний. Статистика уровней энергии. Масштабы длин, времен и энергий в наносистемах. Радиус локализации. Критерий Таулесса. - Эффект Аронова-Бома. Квантовый баллистический транспорт в наносистема: - Баллистический транспорт в наносистемах в отсутствии поля. Формула Ландауэра. - Проводимость квантового точечного контакта. - Квантовый баллистический транспорт в магнитном поле. Краевые состояния. Нелокальные эффекты.. - Квантовый эффект Холла (КЭХ) - Нобелевская премия по физике К.фон Клитцинга. Эталон Ома на основе КЭХ Кулоновские эффекты в транспорте и одноэлектронный транзисто: - Кулоновское взаимодействие. - Кулоновская блокада. - Квантовые насосы заряда. - Одноэлектронный транзистор. - Прыжковый транспорт Квантовый диффузионный транспорт: - Квантовый транспорт в диффузионном приближении. - Интерференция электронных волн и слабая локализация. - Переход Андерсона. Критерий Иоффе-Регеля. - Целочисленный КЭХ в диффузионном приближении. - Дробный КЭХ. - Дуальность зарядов и квантов потока. Композитные фермионы.
Тема 1. Магнетизм.
Магнетизм атомов переходных элементов: - Магнитные моменты атома. Сложение магнитных моментов. Спин-орбитальное взаимодействие. - Атом в магнитном поле. Эффект Зеемана. - Влияние кристаллического поля на магнетизм атомов. - Парамагнетики и диамагнетики. Магнитоупорядоченные состояния: - Обменные взаимодействия. Косвенный обмен. - Магнитоупорядоченные состояния: ферромагнетизм, антиферромагнетизм, ферримагнетизм. Температура Кюри и температура Нееля. - Базовые модели для магнитных систем. Модель Изинга и модель Гейзенберга. - Метод молекулярного поля. - Спиновые волны. Магноны. - Ферромагнитные домены. Механизм намагничивания ферромагнетика. - Магнитные фазовые переходы. - Влияние магнитного упорядочения на физические характеристики вещества. Методы исследования магнитоупорядоченных состояний: - Ядерные методы исследования магнитоупорядоченных веществ. - Движение магнитного момента в постоянном и переменном магнитном поле. Уравнения Лифшица. - Электронный парамагнитный резонанс и ядерный магнитный резонанс. Времена релаксации и спиновое эхо. - ИК спектроскопия редкоземельных ионов. Немагнитные явления, связанные с магнитным упорядочением: - Магнитострикция и магнетизм формы. Пьезо-электрические и магнито-электрические эффекты. Сегнетоэлектрики и мультиферроики. - Гальваномагнитные явления в металлах. Парамагнетизм Паули. Уровни Ландау и диамагнетизм электронов проводимости в квантующих магнитных полях.
Тема 3. Сверхпроводимость.
Основы физики сверхпроводимости: Нобелевские премии по сверхпроводимости и сверхтекучести. Эффект Мейсснера и эффект Джозефсона. Мейсснеровская глубина проникновения и длина когерентности. Функционал Гинзбурга-Ландау. Сверхпроводники первого и второго рода. Вихри Абрикосова в сверхпроводниках и вихри Фейнмана-Онзагера во вращающемся сверхтекучем гелии. Первое и второе критическое магнитное поле. Применение сверхпроводящих систем в энергетике и электронике, медицине и информатике. Квантовый компьютер. Запутанные состояния. Сверхпроводящая, полупроводниковая и магнитная реализация квантового бита ( кубита). Высокотемпературные сверхпроводники (ВТСП-системы): Рост с годами критической температуры сверхпроводящего перехода. Купратные сверхпроводники на основе медь-кислород. Строение и дизайн. Физические свойства и характерные значения физических величин в купратах. Фазовая диаграмма. Сверхпроводники с электронной и дырочной проводимостью. Сопротивление при различных концентрациях носителей заряда в купратах. Другие ВТСП-системы. Диборид магния. Сверхпроводники на основе арсенида железа. Сверхпроводящие металлические гидриды серы при высоких давлениях. Металлический водород. От высокотемпературной к комнатно-температурной сверхпроводимости. Механизмы сверхпроводимости: Электрон-фононное и электрон-электронное взаимодействие. Куперовские и локальные пары. Теория БКШ и Толмачёвский логарифм. Коновская особенность и фриделевские осцилляции. Механизм Кона-Латтинжера сверхпроводимости в системах с отталкиванием. Сверхпроводящая щель и различные типы спаривания. Электронная теплоёмкость в нормальном и сверхпроводящем металле. Сверхтекучий Не-3. A и B-фазы. Нули сверхпроводящей щели в системах с p- и d-спариванием. Урановые сверхпроводники с тяжёлыми фермионами. Слоистые и квазиодномерные сверхпроводники. Органические сверхпроводники. Сверхтекучесть нейтронных звёзд и ядерной материи. Сверхпроводимость идеализированного графена. Роль примесей в грязных сверхпроводящих сплавах. Теория Абрикосова-Горькова. Базовые модели высокотемпературной сверхпроводимости: Новые материалы и сильнокоррелированные электронные системы. Базовые модели. Модели Ферми-газа с отталкиванием и притяжением. Модель Хаббарда на решётке. Локализация Мотта-Хаббарда и фазовый переход металл-диэлектрик в модели Хаббарда с отталкиванием. Фазовая диаграмма модели Хаббарда с притяжением. Сверхпроводимость протяжённых (куперовских) пар и бозе-конденсация локальных пар (биполяронов). BCS-BEC кроссовер между локальными и протяжёнными парами в квантовых газах и высокотемпературных сверхпроводниках. Температура Саха и динамическое равновесие между локальными парами и распаренными электронами. Модель Ферми-Бозе смеси и сверхпроводимость в оксидах висмута. Разделение и конфайнмент спина и заряда в системах различной размерности: Модели для электронов и спинов. t-J модель и модель двойного обмена Де Жена. Сверхпроводимость на спиновых флуктуациях в t-J модели. Трёхмерные и двумерные антиферромагнетики. Спиновые цепочки с антиферромагнитным взаимодействием соседних спинов. Спиновые лестницы.Движение дырки в антиферромагнитном окружении. Конфайнмент спина и заряда в трёхмерных и двумерных системах. Струна Булаевского-Нагаева-Хомского в высокотемпературных сверхпроводниках. Ферромагнитные капли в манганитах и других системах с колоссальным магнитосопротивлением. Наноразмерное расслоение на фазы. Туннельное магнитосопротивление в сложных магнитных оксидах. Разделение спина и заряда в одномерных системах.

Элементы контроля

Коллоквиум
Коллоквиум проводится в устной форме. Оценка выставляется по десятибальной шкале. За несданный коллоквиум за неделю до зачетно-экзаменационной недели данного модуля (1-ый модуль) выставляется оценка Кол=0 баллов. Оценка за коллоквиум является блокирующей.
Семинар
Оценка выставляется как среднее арифметическое оценок за каждый семинар, проводимый согласно календарному плану в данном модуле. Оценка выставляется по десятибальной шкале. Оценка за работу на семинарах не является блокирующей и не подлежит пересдаче.
Домашнее задание
Оценка выставляется как среднее арифметическое оценок за каждую задачу/вопрос. Оценка за каждую задачу выставляется по десятибалльной шкале. За несданное домашнее задание за неделю до зачетно-экзаменационной недели данного модуля (2-ой модуль) выставляется оценка ДЗ=0 баллов. Оценка за домашнее задание является блокирующей.
Контрольная работа
Оценка выставляется как среднее арифметическое оценок за каждую задачу. Оценка за каждую задачу выставляется по десятибалльной шкале. Оценка за контрольную работу является блокирующей.
Экзамен
Экзамен проводится в письменной форме (тестирование, опрос по материалам курса). Экзамен проводится на платформе LMS ВШЭ. К экзамену необходимо подключиться за 10 минут до начала. Для участия в экзамене студент обязан: явиться на экзамен согласно точному расписанию, без опозданий. Во время экзамена студентам запрещено: общаться с кем-либо, пользоваться конспектами и подсказками. Кратковременным нарушением связи во время экзамена считается нарушение связи менее минуты. Долговременным нарушением связи во время экзамена считается нарушение связи в течение минуты и более. При долговременном нарушении связи студент не может продолжить участие в экзамене. Процедура пересдачи аналогична процедуре сдачи.

Промежуточная аттестация

Промежуточная аттестация (3 модуль)
ПА=0.5∙Э+0.2∙С+0.1∙Кол+0.1∙Кр+0.1∙Дз

Программа дисциплины