Физика низких температур

Бакалавриат 2020/2021

Статус: Курс обязательный (Физика)

Направление: 03.03.02. Физика

Кто читает: Базовая кафедра физики низких температур Института физических проблем им. П.Л. Капицы РАН

Где читается: Факультет физики

Когда читается: 4-й курс, 1-3 модуль

Формат изучения: без онлайн-курса

Преподаватели: Сосин Сергей Сергеевич

Язык: русский

Кредиты: 9

Контактные часы: 60

Полная версия программы учебной дисциплины Задать вопрос

Аннотация

Курс «Физика низких температур» посвящен теоретическим основам рассмотрения квантовых макроскопических эффектов. Основой курса является последовательное изложение теории Ферми-жидкости Ландау и теории бозе-эйнштейновской конденсации, а также теории фазовых переходов II рода. Курс предполагает активное освоение студентами описания коллективных квантовых эффектов в системах, состоящих из большого количества частиц. Будут приведены экспериментальные примеры универсального критического поведения различных конденсированных сред.

Цель освоения дисциплины

формирование у студентов профессиональных компетенций, связанных с использованием современных теоретических представлений в области физики низких температур
освоение основных концепций описания макроскопических квантовых эффектов
развитие навыков анализа различных квантовых эффектов в макроскопических и мезоскопических системах.

Планируемые результаты обучения

Уметь применять распределение Гиббса для решения задач
Приобрести знания основных теоретических концепций и методов, применяемых в теории Ферми-жидкости, для описания эффекта конденсации Бозе-Эйнштейна
Приобрести знания основных теоретических концепций и методов, применяемых в теории фазовых переходов II рода в различных конденсированных средах.
Приобрести знания об описании критических явлений с помощью гипотезы масштабной инвариантности, навыки решения задач.
Понимать специфику низкоразмерных систем и возникающих в них явлений
Знать о существовании топологического перехода Березинского-Костерлица-Таулеса
Уметь применять методики теоретического расчета термодинамических величин и структуры основного состояния для макроскопических систем
Приобрести опыт чтения научной литературы по физике низких температур

Содержание учебной дисциплины

Распределение Гиббса
Распределение Гиббса. Матрица плотности. Статистическая сумма. Свободная энергия. Энтропия. Системы с переменным числом частиц. Термодинамические флуктуации.
Идеальные ферми- и бозе-газы. Ферми-жидкость.
Распределения Бозе и Ферми. Распределение Больцмана. Вырожденный электронный газ. Термодинамика вырожденного бозе-газ. Конденсация Бозе-Эйнштейна.
Фазовые переходы II рода
Теория фазовых переходов Ландау, теплоемкость. Фазовый переход II рода в поле. Влияние кристаллической решетки на термодинамику перехода, пьезоэлектричество и пьезомагнетизм. Флуктуации параметра порядка, критерий применимости теории Ландау.
Масштабная инвариантность
Флуктуационная область температур. Критические индексы, масштабирование температуры, поля и параметра порядка. Примеры универсального критического поведения различных систем.
Низкоразмерные системы
Невозможность существования фаз в одномерной системе. Фазовый переход II рода на двумерной решетке. Понятие о переходе Березинского-Костерлица-Таулесса.
Примеры экспериментального исследования фазовых превращений в конденсированных средах
Свертекучесть гелия-4. Упорядочение в различных ферро- и антиферромагнитных системах, слабый ферромагнетизм. Основные состояния изинговских и гейзенберговских антиферромагнетиков с различной размерностью магнитной структуры. Флуктуационные эффекты, порядок из беспорядка.

Элементы контроля

Самостоятельная работа в 1 и 2 модуле
Включает домашние задания, выступления и активность на семинаре
Контрольная работа 1 (2 модуль)
Проводится во втором модуле
Промежуточный экзамен (2 модуль)
Проводится в устной форме, билет содержит 2 вопроса.
Самостоятельная работа в 3 модуле
Контрольная работа (3 модуль)
Проводится в середине 3 модуля
Итоговый экзамен
Проводится в устной форме, билет содержит 2 вопроса.

Промежуточная аттестация

Промежуточная аттестация (3 модуль)
Накопленная оценка за текущий контроль в модулях попарно 1,2 и модуле 3 учитывает самостоятельные занятия студента: Онакопл = 0.5 Ок.р.+ 0.5 Осамост где Осамост. — оценка за выполнение самостоятельной работы по результатам текущей работы на семинарах и решения домашних заданий. Промежуточная оценка в модулях попарно 1,2 и модуле 3 определяется соотношением Опромежут = 0.5 Онакопл + 0.5 Оэкз , где Оэкз – оценка за соответствующий экзамен. Итоговая оценка определяется по формуле Оитог = 0.5 Опромежут1,2 + 0.5 Опромежут3 Студенты, у которых 0.5 Опромежут1,2 + 0.5 Онакопл3= 10, освобождаются от второго устного экзамена и получают итоговую оценку 10. Студенты c оценкой 0.5 Опромежут1,2 + 0.5 Онакопл3= 8 или 9 могут отвечать только на половину билета (1 вопрос по выбору) на втором устном экзамене. При неудовлетворительной промежуточной оценке за любую часть курса итоговая оценка не может быть выше неудовлетворительно(3).

Программа дисциплины