Actual problems of modern physics

2023/2024

Academic Year

ENG

Instruction in English

3

ECTS credits

Delivered at:

Faculty of Physics

Course type:

Compulsory course

When:

3 year, 4 module

Instructors

Aleksandrov, Nikolay

Драчев Владимир Прокопьевич

Course Syllabus

Abstract

The first part of the course is devoted to studying fundamentals of physics of plasmas. Examples of plasma in nature and laboratory, as well as plasma applications, are given. Models of plasma systems are considered on the basis of thermodynamic, hydrodynamic and kinetic approaches. Particular attention is placed on collisional processes, which lead to plasma generation and production of active species. The second part of the subject is devoted to the nanophotonics and is aimed at developing an understanding of optical phenomena at the nanometer scale, i.e. near the diffraction limit and beyond. The course includes basic theoretical ideas, multi-photon microscopy, the interaction of light with nano-dimensional systems, optical interaction between nano-systems, as well as resonant phenomena such as localized surface plasmons, surface plasmon polaritons and micro-resonators.

Learning Objectives

• - формирование у студентов профессиональных компетенций в области физики плазмы; - становление у студентов понятийного аппарата в области физики плазмы - обучение студентов известным методам решения задач и описания процессов, происходящих в низкотемпературной плазме - развитие умения подготовки презентации на основе анализа научной литературы по плазменным технологиям на английском языке, а также умения устно докладывать результаты работы на английском языке и отвечать на вопросы в режиме реального времени.

Expected Learning Outcomes

• Able to demonstrate basic knowledge of thermodynamics of low-temperature plasma and hydrodynamics of low-temperature plasma
• Demonstrates knowledge of scattering of particles in plasma
• Can explane methods of plasma generation and modern plasma applications

Course Contents

• Fundamentals of plasma.
• Thermodynamics of low-temperature plasma
• Hydrodynamics of low-temperature plasma.
• Scattering of particles in plasma.
• Kinetics of low-temperature plasma
• Electrical breakdown of gases and plasma decay
• Methods of plasma generation and modern plasma applications
• Lonization kinetics and kinetics of active species in plasma
• Physics of metals, oxides, and semiconductors. Models of permittivity Drude-Lorentz-Sommerfeld.
• Localized surface plasmons. Optical properties of metal nanoparticles, plasmon resonance condition.
• All-dielectric resonances in nanoparticles. Mie-theory and multipole modes of nanoparticles, extinction, and scattering.
• Plasmonic metamaterials. Dimers and core-shell nanoparticles. Nanostructured building blocks of the optical metamaterials.
• All-optical meta-surfaces. Si, Ge, and other semiconductor nanoparticles acting as meta-magnetics with low losses.
• Plasmonic biosensors. Biosensors based on surface enhanced Raman scattering (SERS). Possibility of a single molecule detection.
• Theoretical limitations of classical optics. Maxwell’s equations for light interaction with matter. Diffraction limit. Properties of light in localized volume. Property of the localized light
• Fresnel formulas and coefficients. Total internal reflection. Near fields and evanescent waves. Surface-plasmon polaritons. Optical modes at the boundary between metal and dielectric. Properties of the surface plasmons.
• Hybrid plasmon-waveguide modes. Epsilon (real part of the permittivity) near zero effect. Plasmon electrooptic modulators.

Assessment Elements

• Доклад
  Реферативные доклады по современным плазменным технологиям делаются студентами на английском языке во время проведения занятий. После этого на том же языке проводится обсуждение темы доклада. При подготовке докладов студенты детально знакомятся с их темой и готовят соответствующую презентацию.
• Контрольная работа
  Контрольная работа в формате решения задач проводится после 5 занятий.
• Экзамен
  Экзамен проводится в устной форме в конце 4 модуля. Экзаменационный билет включает 1 вопрос; при ответе также будут задаваться короткие вопросы по всему курсу.
• Контрольные вопросы
  Контрольные вопросы в конце или после каждого занятия. Ответы надо давать не позже следующего дня после дня занятия.

Interim Assessment

• 2023/2024 4th module
  0.3 * Доклад + 0.2 * Контрольная работа + 0.1 * Контрольные вопросы + 0.4 * Экзамен

Bibliography

Recommended Core Bibliography

• Belmont, G., Rezeau, L., Riconda, C., & Zaslavsky, A. (2019). Introduction to Plasma Physics. London, UK: ISTE Press - Elsevier. Retrieved from http://search.ebscohost.com/login.aspx?direct=true&site=eds-live&db=edsebk&AN=1951640
• Основы нанооптики, Новотный, Л., 2009
• Основы физики плазмы, Голант, В. Е., 1977

Recommended Additional Bibliography

• James E. Drummond. (2013). Plasma Physics. [N.p.]: Dover Publications. Retrieved from http://search.ebscohost.com/login.aspx?direct=true&site=eds-live&db=edsebk&AN=1150661