Physics of Metals and Electronic Phenomena

2020/2021

Academic Year

RUS

Instruction in Russian

7

ECTS credits

Delivered at:

Joint Department of Low Temperature Physics with the Kapitza Institute for Physical Problems (RAS)

Course type:

Compulsory course

When:

4 year, 1, 2 module

Instructor

Smirnov, Alexander

Программа дисциплины

Аннотация

Курс “Физика металлов и электронные явления” знакомит студентов с основными представлениями теории нормальных металлов и основными экспериментальными методами исследования металлов и электронных систем. Изложение содержит описание ферми-жидкостного подхода и электронных спектров, полученных на основе одночастичных волновых функций. Будут описаны основные транспортные, термодинамические и высокочастотные свойства нормальных металлов, методы исследования электронных спектров. Анализируются особенности транспортных свойств мезоскопических и двумерных электронных систем.

Цель освоения дисциплины

• формирование у студентов профессиональных компетенций, связанных с использованием современных теоретических представлений о физике металлов и электронных систем
• формирование навыков расчета основных параметров электронных систем
• ознакомление студентов с основными экспериментальными фактами, лежащими в основе физики металлов
• ознакомление с экспериментальными методиками исследования металлов и электронных систем

Планируемые результаты обучения

• формирование навыков расчета основных параметров электронных систем в модели свободных электронов
• ознакомление с экспериментальными методиками исследования металлов и электронных систем
• ознакомление студентов с основными экспериментальными фактами и теоретическими представлениями, лежащими в основе физики металлов
• ознакомление с экспериментальными методиками исследования металлов и электронных систем в магнитном поле
• формирование представлений о возможном виде спектра электронов и формы поверхности Ферми в кристаллах
• ознакомление с квантовыми эффектами в физике металлов, способами их экспериментального наблюдения и теоретического описания
• формирование представления об особенностях поведения металлов в высокочастотном электромагнитном поле
• формирование представления о термоэлектрических эффектах в металле, методах описания этих эффектов

Содержание учебной дисциплины

• Модель свободных электронов
  Тема 1.1 Электрон в периодическом потенциале. Теорема Блоха. Приближения сильной и слабой связи. Квазиимпульс. Уравнение движения в электрическом поле. Тема 1.2. Ансамбль электронов. Распределение Ферми. Фермиевская скорость. Плотность состояний. Теплоемкость газа свободных электронов. Парамагнетизм Паули. Экранирование заряда. Тема 1.3. Зонная теория металлов. Электрон-электронные столкновения. Энергетические зоны. Электроны и дырки. Построение Харрисона поверхностей Ферми. Переходы Мотта и Пайерлса.
• Транспортные свойства металлов.
  Тема 2.1 Проводимость металлов. Кинетическое уравнение. Тау-приближение. Рассеяние электронов на примесях и фононах. Оценки вероятности рассеяния. и величины проводимости. Температурная зависимость проводимости и сопротивления.
• Гальваномагнитные эффекты. Исследование поверхности Ферми
  Тема 3.1 Гальваномагнитные эффекты. Вид тензоров сопротивления и проводимости в магнитном поле. Эффект Холла. Открытые и закрытые траектории. Магнитосопротивление чистых металлов в слабом и сильном поле. Компенсированные металлы. Тема 3.2 Исследование поверхности Ферми. Экспериментальные методы исследования поверхности Ферми. Эффекты де-Гааза-ван-Альфена и Шубникова - де-Гааза, квазиклассическое рассмотрение. Циклотронный резонанс. Радиочастотный размерный эффект. Затухание ультразвука в магнитном поле. Ферми- поверхности щелочных и благородных металлов, олова, индия.
• Интерференционные эффекты в проводимости. Квантовый эффект Холла.
  Тема 4.1 Интерференционные эффекты в проводимости. Интерференционные эффекты в проводимости. Слабая локализация. Андерсоновская локализация. Мезоскопические эффекты. Осцилляции сопротивления неодносвязных образцов магнитном поле. Тема 4.2 Интерференционные эффекты в проводимости. Квантовый эффект Холла. Основные понятия и экспериментальные факты. Условия наблюдения квантового эффекта Холла, основные наблюдаемые параметры и метрологическая значимость квантового эффекта Холла
• Высокочастотные свойства металлов. Термоэлектрические явления.
  Тема 5.1 Скин-эффект, электромагнитные волны в металлах. Плазменная частота. Нормальный и аномальный скин-эффект. Концепция эффективноой длины свободного пробега. Геликоны. Магнито-плазменные волны. Тема 5.2 Термо-э.д.с. и эффект Пельтье. Принцип Онзагера симметрии кинетических коэффициентов. Термоэлектродвижущая сила и эффект Пельтье. Связь коэффициентов Пельтье и термоэлектродвижущей силы.

Элементы контроля

• контрольная работа 1
  Контрольная работа включает письменное решение трех задач в выбранном каждым студентом билете по темам пройденного материала в течение 1.5 часов.
• контрольная работа 2
  Контрольная работа включает письменное решение трех задач в выбранном каждым студентом билете по темам пройденного материала в течение 1.5 часов.
• Экзамен
  Проводится в устной форме. Билет содержит 2 вопроса.
• Домашние работы и работа на семинаре

Промежуточная аттестация

• Промежуточная аттестация (2 модуль)
  0.2 * Домашние работы и работа на семинаре + 0.15 * контрольная работа 1 + 0.15 * контрольная работа 2 + 0.5 * Экзамен

Список литературы

Рекомендуемая основная литература

• Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. - Курс теоретической физики. Статистическая физика - Издательство "Физматлит" - 2001 - 616с. - ISBN: 978-5-9221-0054-0 - Текст электронный // ЭБС ЛАНЬ - URL: https://e.lanbook.com/book/2230
• Основы теории металлов, Абрикосов, А. А., 1987
• Основы теории металлов, Абрикосов, А. А., 2010
• Теоретическая физика. Т. 5: Статистическая физика: Ч. 1, Ландау, Л. Д., 2013

Рекомендуемая дополнительная литература

• Sasaki, S. (2016). Theory of the Integer and Fractional Quantum Hall Effects. Hauppauge, New York: Nova Science Publishers, Inc. Retrieved from http://search.ebscohost.com/login.aspx?direct=true&site=eds-live&db=edsebk&AN=1345699