Бакалавриат 2023/2024

Актуальные вопросы современной физики

Статус: Курс обязательный (Физика)

Направление: 03.03.02. Физика

Кто читает: Факультет физики

Где читается: Факультет физики

Когда читается: 3-й курс, 4 модуль

Формат изучения: без онлайн-курса

Охват аудитории: для своего кампуса

Преподаватели: Александров Николай Леонидович, Драчев Владимир Прокопьевич

Язык: английский

Кредиты: 3

Контактные часы: 50

Course Syllabus

Abstract

The course Nanophotonics aims to develop an understanding of optical phenomena at the nanometer scale, i.e. in the region of the diffraction limit and beyond. The elements that make up the subject matter of the course are usually scattered across different disciplines. Nano-optics and photonics draws on classical optics, quantum optics and spectroscopy. In the presence of spatial inhomogeneities, the Rayleigh limit of light localization loses its strictness. Unlimited localization of light becomes possible, at least theoretically. The course includes basic theoretical ideas, multiphoton microscopy, interaction of light with nanoscale systems, optical interaction between nanosystems, and resonance phenomena such as localized surface plasmons, surface plasmon polaritons and micro-resonators. After completing the course, students will have a general understanding of the current state of the art with a special emphasis on new trends in metamaterials, plasmonics and integrated photonics. In addition, students will have the opportunity to improve their analytical skills by solving various mathematical problems in nano-optics within the framework of field theory.

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

Authors

• Drachev Vladimir Prokopevich
• PONOMAREV ALEKSANDR ALEKSANDROVICH
• Еремейкина Елена Алексеевна
• PANKRATOVA ELENA IGOREVNA