Прикладная сверхпроводимость и магнетизм

Магистратура 2020/2021

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

Лучший по критерию «Новизна полученных знаний»

Статус: Курс обязательный (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 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 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 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 неделДистанционный формат со 2-го модуля.и данного модуля (1-ый модуль) выставляется оценка Кол=0 баллов .Дистанционный формат со 2-го модуля.
Семинар
Дистанционный формат со 2-го модуля.
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.
Контрольная работа
Оценка выставляется как среднее арифметическое оценок за каждую задачу. Оценка за каждую задачу выставляется по десятибалльной шкале. Дистанционный формат со 2-го модуля.
Экзамен
Формат проведения экзамена во 2 модуле может быть дистанционный, офлайн или смешанный в зависимости от ситуации. Информация доводится до студентов не позднее 10 дней до сессии.

Промежуточная аттестация

Промежуточная аттестация (3 модуль)
0.1 * Домашнее задание + 0.1 * Коллоквиум + 0.1 * Контрольная работа + 0.2 * Семинар + 0.5 * Экзамен

Программа дисциплины