Цысарь Ксения Михайловна
«Введение в теорию магнетизма нанообъектов»
Описание курса:
В курсе излагаются основные аспекты и закономерности теории намагниченности систем пониженной размерности. Актуальность данной тематики объясняется активным развитием в настоящее время спинтроники - особого направления электроники, связанного с применением спиновых магнитных свойств наноразмерных систем в высокотехнологических областях промышленности и технологического кластера. Особое внимание уделяется изучению квантового размерного эффекта, заключающегося в зависимости магнитных свойств наноструктур от размерности системы.
Внимание уделяется объяснению физической природы намагниченности и изучению основных закономерностей магнитных свойств низкоразмерных структурах. Рассматриваются основные законы, соотношения и выводы теории. Основная задача курса состоит в том, чтобы сообщить студенту, обучающемуся по программам 01.04.07 (физика конденсированного состояния) и 01.04.11 (физика магнитных явлений), а также в смежных областях необходимый минимум знаний для самостоятельного исследования магнитных, магнитооптических, проводящих квантовых свойств магнитных низкоразмерных систем. Наряду с классическими вопросами теории наномагнетизма в программе курса отражены результаты современных исследований в областях наноэлектроники и спинтроники. При выборе материала учитывалась специфика научных направлений, развиваемых на кафедрах отделения теоретической и экспериментальной физики. В рамках данного курса студентам предлагается не только изучение классической теории наномагнетизма, а также производится ознакомление с новыми явлениями, которые были обнаружены в последние годы в наноструктурах (скирмионы, гигантское магнетосопротивление, спиновый ток в магнитных контактах). Большое внимание уделено универсальным методам исследования магнитных квантовых свойств наноструктур, объяснению новых эффектов в низкоразмерных системах и изучению теории намагниченности низкоразмерных систем (тонких пленок, нанопроводов, наночастиц). Новизна данного курса состоит в том, что в отличие от уже существующих курсов, рассчитанных по большей части на студентов старших курсов, данный курс является ознакомительным и целевой аудиторией данного курса являются студенты 3 курса, которые уже готовы по уровню своей подготовки освоить основные аспекты теории магнетизма наноструктур в ознакомительном формате. Уровень сложности данного курса учитывает компетенции и знания, которые имеются у студентов 3 курса физического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова, при этом многие темы курса предлагают более глубокое изучение отдельных глав физики магнитных свойств наноструктур и низкоразмерных объектов.
Важным аспектом данного курса является его адаптированность к современным открытиям в спинтронике и наноэлектронике и следование трендам современной науки и инновациям. При этом данный курс является подготовительным для дальнейшего более глубоко освоения специальных глав физики студентами старших курсов физического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова обучающимся по программам 01.04.07 (физика конденсированного состояния) и 01.04.11 (физика магнитных явлений) и смежным специальностям в области спинтроники, нанофотоники, наноэлектроники, современной медицинской физики, например, в области переноса и доставки лекарств с помощью магнитных наночастиц.
План курса:
Лекция 1
Введение. Магнетизм низкоразмерных структур (нанообъектов). Что такое наноструктуры. Магнетизм структур пониженной размерности (наноструктур) Обзор исторического развития направления. Практическая ценность. Перспективы.
Лекция 2
Физические основы магнетизма. Магнетостатика. Магнитное поле. Квантовая теория магнетизма. Магнетизм электрона. Орбитальный и спиновый моменты. Парамагнетизм. Кристаллическое поле. Ферромагнетизм и обменное взаимодействие. Антиферромагнетизм и другие виды магнитного упорядочения (аморфные магниты, спиновые стекла). Модели магнетизма.
Лекция 3
Микромагнетизм, домены и гистерезис. Микромагнитная энергия. Формирование доменов. Доменные стенки.
Лекция 4-5
Низкоразмерный магнетизм. Особенности магнитных свойств структур пониженной размерности (пленки, наночастицы, нанопровода). Характерные размеры перехода к низкоразмерному магнетизму. Тонкие пленки. Магнетизм нанопроводов и наноконтактов. Магнитные свойства наночастиц. Магнитные материалы и элементы.
Лекция 6
Квантовая теория низкоразмерного магнетизма. Зонная теория магнетизма.
Лекция 7-8-9
Магнетизм двумерных систем. Магнитные свойства тонких пленок. Особенности магнитных свойств двумерных наноструктур. Магнитные свойства пленок редкоземельных металлов, виды магнитного порядка в них. Скирмионы. Квантовый эффект Холла.
Лекция 10-11
Магнетизм одномерных структур. Магнитные свойства нанопроводов и наноконтактов. Особенности магнитных свойств одномерных наноструктур. Гигантская магнитная анизотропия. Спиновые волны.
Магнитные свойства одномерных наносплавов. Магнитосопротивление. Основы спинтроники. Спиновый ток.
Лекция 12-13
Магнетизм нульмерных структур. Магнитные свойства наночастиц и нанокластеров. Особенности магнитных свойств нульмерных наноструктур. Магнитные свойства наночастиц, нанокластеров, квантовых точек. Суперпарамагнетизм. Стонер-Вольфартовсик частицы. Ланжевеновские наночастицы.
Лекция 14
Методы компьютерного моделирования магнитных свойств. Ознакомление с методами теоретического и экспериментального исследования магнитных одномерных наноструктур (нанопроводов и наноконтактов) методами первопринципной молекулярной динамики
Лекция 15-16
Практическое применение магнитных наноструктур. Применение спинтронных устройств в современной высокотехнологической отрасли. Применение новых эффектов низкоразмерного магнетизма в инженерии и технологиях. Использование магнитных наноструктур в медицине и в космической отрасли. Магнитные сенсоры. Магнитная память. Магнитная запись в применении к низкоразмерным структурам. Спиновые-фильтры.
