Паращук Дмитрий Юрьевич
«Физика конденсированных сред»
Описание курса:
На физическом факультете МГУ на различных кафедрах читается очень большое число курсов по разным разделам физики конденсированных сред, например, по физике полупроводников, кристаллов, мягких сред и т.д. Данный курс представляет собой систематическое изложение фундаментальных основ физики конденсированных сред и нацелен на глубокое освоение самых базовых понятий, таких как химическая связь, элементарная ячейка, обратная решетка, решетка Бравэ, квазиимпульс, зона Бриллюэна, структурный и атомные факторы, акустический и оптический фонон, процесс переброса, поляритон, уровень Ферми, дырка и т.д. Для его усвоения требуется знание основ квантовой и статистической физики. Курс состоит из следующих разделов: физика химической связи, структура кристаллов и рентгеноструктурный анализ, фононы, тепловые свойства, свободный электронный газ, электроны в периодическом потенциале. Курс формирует теоретическую и практическую базы для ориентации в современном состоянии физики конденсированных сред для студентов, специализирующихся в области фотоники, оптики, спектроскопии и лазерной физики.
Цель и задачи курса: познакомить слушателей с наиболее важными понятиями и инструментарием физики конденсированных сред и овладеть современными профессиональными знаниями в данной области, а также уметь их применять для решения различных учебных и исследовательских задач в области лазерной физики, биофизики, органической (опто)электроники, терагерцовой электроники и нанофотоники.
Курс включает в себя семь контрольных работы с задачами и вопросами по каждой из тем курса.
План курса:
Лекция 1
Введение. Цель курса. Классификация конденсированных сред по структуре и по свойствам. Макро-, мезо- и нанообъекты. Конденсированные среды разной размерности: квантовые точки. Поверхности и границы раздела. Кристаллические и аморфные конденсированные среды.
Лекция 2
Методы исследования конденсированных сред. Успехи и нерешенные проблемы физики конденсированных сред
Лекция 3
Физика химической связи I. Ковалентная связь. Метод молекулярных орбиталей. Молекула водорода.
Лекция 4
Физика химической связи II. Метод валентных связей, кулоновский и обменный интеграл
Лекция 5
Физика химической связи III. Гибридизация орбиталей. Межмолекулярные силы. Потенциал Леннард-Джонса. Ковалентно-ионная связь. Ионная связь. Металлическая связь. Основы теории функционала плотности
Лекция 6
Структура кристаллов I. Кристаллическая решетка. Элементарная и примитивная ячейки. Базис. Решетки Браве. Элементы точечной и пространственной симметрии. Индексы Миллера. Обратная решетка
Лекция 7
Структура кристаллов II. Дифракция рентгеновского излучения. Условие Брэгга. Вектор рассеяния. Уравнение Лауэ
Лекция 8
Структура кристаллов III. Структурный и атомный факторы. Зоны Бриллюэна. Ячейка Вигнера-Зейтца. Дифракция фотонов, электронов и нейтронов.
Лекция 9
Примеры дифракции в различных типах конденсированных сред; монокристаллы, порошки, тонкие пленки. Источники рентгеновского излучения, в т.ч. синхротронные. 0D и 2D материалы: квантовые точки, графены, дихалькогениды переходных металлов.
Лекция 10
Фононы I. Одномерная цепь с одинаковыми атомами. Нормальные моды. Волновой вектор. Одинаковые и различные атомы. Понятие фонона. Импульс и квазиимпульс. Одномерная цепь с атомами двух типов.
Лекция 11
Фононы II. Акустические и оптические и фононы. Примеры фононов в 3D кристаллах.
Лекция 12
Фононы III. Оптика фононов; резонансное взаимодействие, поляритоны, неупругое рассеяние света. Ангармонизм и время жизни фононов.
Лекция 13
Тепловые свойства I. Теплоемкость. Экспериментальные данные. Закон Дюлонга и Пти. Расчет теплоемкости. Плотность состояний в 1D и 3D случаях. Модель Дебая. Температура Дебая. Модель Эйнштейна.
Лекция 14
Тепловые свойства II. Теплопроводность. Модель идеального газа. Длина свободного пробега фононов. Температурная зависимость теплопроводности изоляторов. Процессы переброса.
Лекция 15
Свободный электронный газ I. Модель свободного электронного газа. Энергия Ферми. Распределение Ферми-Дирака.
Лекция 16
Свободный электронный газ II. Электронный вклад в тепловые свойства металлов. Электрическая проводимость и сопротивление. Закон Ома. Эффект Холла.
Лекция 17
Электроны в периодическом потенциале I. Теорема Блоха. Модель почти свободных электронов.
Лекция 18
Электроны в периодическом потенциале II. Энергические зоны. Металлы и изоляторы. Эффективная масса. Модель сильно-связанных электронов. Дырки.
