Кленов Николай Викторович
«Физика наноструктур, атомная и молекулярная физика»
Описание курса:
Данный курс, базирующийся на читающихся на Физическом факультете МГУ курсах по физике конденсированного состояния и квантовой физике, дает представление о понятиях, явлениях и методах, используемых на текущий момент при разработке, создании, исследовании наноструктур. Серьезное внимание уделено анализу современных численных методов описания вещества на атомно-молекулярных масштабах, а также на масштабах, позволяющих реализовать последовательный переход к рассмотрению макроскопических систем. С использованием ключевых достижений фундаментальной науки рассматриваются такие прикладные задачи, как планарная технология производства микрочипов, физические основы процессов формирования структур на поверхности, возникающие проблемы и пути их решения. В рамках курса студенты должны приобретать навыки использования специализированных математических пакетов прикладных программ, позволяющие сочетать реализацию численных алгоритмов с аналитическим рассмотрением и графическим отображением результатов вычислений.
В ходе радикальной переработки существующего курса «Физика наноструктур, атомная и молекулярная физика», предназначенного для студентов Физического факультета последнего года обучения, планируется перейти к новому формату проведения занятий. Студенты будут изучать актуальные проблемы физики через «погружение» в реальную научно-исследовательскую работу под общим руководством автора курса. Ключевая особенность ряда занятий – их проведение в форме лекций, переходящих в научно-исследовательский семинар с участием привлекаемых к образовательному процессу ученых, работающих на мировом уровне.
План курса:
Лекция 1 и 2
Физические принципы реализации низкоразмерных электронных систем и развитие нанотехнологии. Роль современных численных методов в физике наноструктур; анализ пространственных и временных масштабов. Критерий проявления квантовых размерных эффектов. Классические размерные эффекты. Классификация наноструктур. Нанокластеры. Тенденции в области проектирования и моделирования современных интегральных схем. Закон Мура. Ограничения и возможности нанолитографии. Основы исследования твердотельных структур с нанометровым пространственным разрешением.
Лекция 3 и 4
Инверсионные слои. Гетероструктуры. Особенности баллистического транспорта в наноструктурах. Идеальный баллистический транспорт. Квантовые точечные контакты. Квантовые ямы и сверхрешетки. Связанные квантовые ямы. Квантовые провода. Квантовые точки. Квантовые точки с оболочками. Приложения в наноэлектронике и оптоэлектронике. Двумерные электронные системы. Основные свойства двумерного электронного газа. Сильно коррелированные низкоразмерные электронные системы.
Лекция 5
Источники случайного поля в кристалле: примеси, шероховатость поверхности раздела, дефекты кристалла и т.п. Делокализованные и локализованные состояния в примесном кристалле. Пороги подвижности в трехмерных неупорядоченных системах. Локализация Андерсона. Модель Андерсона и модель Лифшица. Критерии локализации. Самоусредняющиеся величины. Численное моделирование случайного поля в кристалле.
Лекция 6
Введение в электродинамику металлических наноструктур. Теория Друде-Зомерфельда оптических свойств металлов. Поверхностные плазмоны (одномерные и двумерные). Методы возбуждения поверхностных плазмонов.
Лекция 7
Нелинейно-оптические свойства металлических наночастиц. Частицы с отрицательным показателем преломления. Основные свойства сред с отрицательным показателем преломления. Спектры поглощения полупроводниковых наночастиц. Оптика квантовых ям и сверхрешеток. Квантовые микрорезонаторы. Оптика квантовых нитей и квантовых точек. Оптические методы исследования квантовых точек. Основы теории фотонных кристаллов. Метаматериалы.
Лекция 8
Спиновый гамильтониан и модель Гейзенберга. Анализ уравнения Ландау-Лифшица-Гильберта. Парамагнитная и диамагнитная восприимчивость электронов проводимости. Гигантское магнитосопротивление. Спин - зависимая проводимость в мультислоях. Косвенная обменная связь. РККИ взаимодействие. Магнитные туннельные переходы. Туннельное магнитосопротивление.
Лекция 9
Эффекты переноса спина. Спиновая аккумуляция на границе между ФМ металлом и немагнитным слоем. Перенос sd-обменного вращательного момента спин-поляризованным током. Сосуществование обменного и спин-орбитального взаимодействия в наноразмерных гетероструктурах. Сверхпроводниковая спинтроника.
Лекция 10
Численное моделирование в электродинамике металлов. Специфика численного моделирования нелинейных колебательных и волновых процессов на примере активных джозефсоновских сред. Учет влияния флуктуаций. Исследование нелинейных решений в распределенных джозефсоновских переходах с помощью метода конечных элементов. Нелинейное параболическое уравнение Шредингера.
Лекция 11 и 12
Функция Грина и уравнение Шредингера. Связь электронной плотности с функцией Грина. Вычисление функция Грина свободной частицы в одномерном и трехмерном случае, вычисление плотности состояний и электронной плотности на примере микроскопической теория сверхпроводимости. Уравнения Горькова. Квазиклассические уравнения сверхпроводимости. Чистый предел. Грязный предел.
Лекция 13 и 14
Метод прогонки. Методы построения разностных схем. Основные понятия из области формулировок сеточной схемы. Микроскопический уровень описания атомов и молекул и микроскопический уровень описания непрерывной среды. Анализ токового транспорта в джозефсоновских гетероструктурах. Метод конечных элементов для уравнения Узаделя.
Лекция 15 и 16
Генетические алгоритмы в науке о материалах. Совместные схемы локального и генетического поиска. Методы машинного обучения. Признаки, вектора признаков. Объекты, классы. Классификация. Использование искусственный нейросетей в физике наноструктур. Обучение, виды обучения «с учителем» и «без учителя». Примеры прикладных задач в науке о материалах. Марковские цепи и скрытые марковские модели. Квантовые алгоритмы в физике наноструктур.
