Лекции
Основы физики конденсированного состояния
Лекторы
Дмитрий Ремович Хохлов
Заведующий кафедрой, д.ф.-м.н.
Александра Викторовна Галеева
Доцент, к.ф.-м.н.
Константин Андреевич Дроздов
Старший преподаватель, к.ф.-м.н.
Аннотация
Физика конденсированного состояния является одной из наиболее важных, крупных и быстроразвивающихся областей современной физики. Все без исключения успехи в развитии современной технологии, включая мобильную связь, интернет, солнечную энергетику и прочее связаны с развитием данной области.
В курсе представлены истоки физики конденсированного состояния, основные понятия и подходы электронной теории твердого тела, включая формирование зонного спектра, а также спектра колебаний кристаллической решетки. Кроме того, рассматриваются основные особенности различных типов материалов: полупроводников, магнитных систем, сверхпроводников, и ряда других. Приводятся основные подходы физики полимеров. Все понятия, подходы и эффекты физики конденсированного состояния рассматриваются на уровне курса общей физики с тем, чтобы при дальнейшем изучении отдельных разделов у обучающихся уже имелось представление об этой отрасли физики в целом. Лекции сопровождаются семинарскими занятиями, на которых студенты учатся решать характерные задачи по физике конденсированного состояния.
Программа курса
Основы квантовой механики
Квантовые свойства излучения. Волновые свойства микрочастиц. Объяснение спектральных закономерностей в рамках теории Бора. Гипотеза де Бройля. Соотношение неопределенностей. Уравнение Шредингера. Квантование спектра микрочастиц. Атом водорода. Спектр многоэлектронных атомов.
Основы зонной теории
Формирование кристаллической структуры из изолированных атомов. Свойства полос разрешенных энергий. Теорема Блоха. Понятие квазиимпульса. Зона Бриллюэна. Метод почти свободных электронов. Формирование зонного спектра. Эффективная масса. Энергия Ферми и поверхность Ферми. Метод сильной связи. Типы химических связей.
Движение электрона во внешних полях
Движение электрона во внешнем магнитном поле. Квантование спектра. Плотность состояний. Уровни Ландау. Квантовые осцилляционные эффекты. Движение электрона во внешнем электрическом поле.
Динамика кристаллической решетки
Колебания атомов в кристаллической решетке. Одномерная цепочка атомов. Акустические и оптические фононы. Теплоемкость решетки. Модель Эйнштейна и модель Дебая. Электронная теплоемкость. Взаимодействие фононов. Тепловое расширение решетки.
Физика полупроводников
Статистика носителей заряда в полупроводниках. Электроны и дырки. Полупроводники с прямой и непрямой щелью. Оптическая и термическая активация. Легирование полупроводников. Доноры и акцепторы. Энергия примесных состояний. Полупроводниковые сверхрешетки. Квантование спектра. Квантовый эффект Холла.
Физика магнитных явлений
Магнитные свойства веществ. Диамагнетизм и парамагнетизм. Закон Кюри — Вейсса. Гиромагнитное отношение. Квантование магнитного момента. Понятие о спине. Ферромагнетизм. Понятие об обменном взаимодействии. Обменный интеграл. Магнитные домены. Спиновые волны — магноны. Антиферромагнетизм.
Физика сверхпроводимости
Основная феноменология. Эффект Мейсснера. Сверхпроводники I и II рода. Вихри Абрикосова. Туннельные эффекты в сверхпроводниках. Эффект Джозефсона. Высокотемпературные сверхпроводники. Уравнение Лондонов. Основные идеи теории Бардина — Купера — Шриффера. Электронные пары. Теория Гинзбурга — Ландау.
Физика полимеров
Основные подходы физики полимеров. Классификация полимеров. Идеальный полимерный клубок. Размер клубка. Высокоэластичность. Объемные взаимодействия в полимерах. Переход клубок — глобула. Вязкоупругость полимеров.