Физика конденсированного состояния

Аннотация рабочей программы дисциплины
Б1.В.ОД.6 Физика конденсированного состояния
Направление подготовки - 03.06.01 Физика и астрономия,
Направленность - Физика конденсированного состояния
1. Цели и задачи дисциплины
Рабочая программа составлена в соответствии с Федеральным государственным
образовательным стандартом высшего образования для уровня высшего образования
«Подготовка кадров высшей квалификации» по направлению подготовки 03.06.01
«Физика и астрономия». Рассматриваемая дисциплина является обязательной
профессиональной дисциплиной учебного плана подготовки аспирантов ИГУ по
специальности 01.04.07 - «Физика конденсированного состояния». Содержательная часть
программы разработана экспертным советом по физике Высшей аттестационной
комиссии при участии Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова,
Института физики металлов УрО РАН, ФИАН им. П.Н. Лебедева и Института
металлургии им. Байкова РАН.
Целями и задачами дисциплины «Физика конденсированного состояния» являются:
получение аспирантами базовых знаний, необходимых научно-педагогическому
работнику для проведения современных исследований и преподавательской деятельности
в области физики конденсированного состояния вещества; создание обучающимся
условий для приобретения необходимого при осуществлении профессиональной
деятельности уровня знаний, умений, навыков, опыта исследований и преподавания; для
подготовки к сдаче кандидатского экзамена по специальности; для подготовки выпускной
квалификационной работы, а также для подготовки диссертационной работы на соискание
ученой степени кандидата наук и ее защиты.
2. Место дисциплины в структуре ОПОП
Дисциплина «Физика конденсированного состояния» является профильной
дисциплиной вариативной части Блока 1 направления подготовки «Физика и астрономия».
Для освоения этой дисциплины обучаемый должен обладать базовой физикоматематической подготовкой и иметь навыки проведения экспериментальных
исследований в области физики конденсированного состояния вещества.
Дисциплина обеспечивает подготовку аспиранта к выполнению Блока 3 Учебного
плана «Научно-исследовательская работа». Освоение этой дисциплины позволит
аспиранту использовать полученные знания при подготовке его диссертационного
исследования и выпускной квалификационной работы по специальности «Физика
конденсированного состояния».
Трудоемкость 5 зачетных единиц. Дисциплина изучается на 2 курсе.
3. Формируемые компетенции
УК-2, УК-3, УК-4, УК-5, ОПК-1, ОПК-2, ПК-1, ПК-5
4. Знания, умения и навыки, формируемые в результате освоения дисциплины
В результате освоения дисциплины «Физика конденсированного состояния»
аспирант должен:
- знать основы высшей математики, законы естественных наук, применяемые в физике
конденсированного состояния, физические методы исследования и описания
конденсированного состояния вещества, преимущества и недостатки методов
исследования физических свойств твердых тел, требования к параметрам твердотельных
веществ и материалов при их практическом применении, информационные технологии,
применяемые при моделировании физических свойств твердотельных материалов, базы
данных для твердотельных материалов;
- уметь
использовать аппарат высшей математики при описании
фундаментальных свойств конденсированных веществ, применять законы естественных
наук в теоретических и экспериментальных исследованиях конденсированных веществ,
осуществлять поиск твердотельных материалов с оптимальными для практического
использования параметрами, готовить сообщения на научно-практической конференции с
широким спектром тематики, работать с информацией в области физики
конденсированного состояния из различных источников, с отечественной и зарубежной
периодической литературой, монографиями и учебниками, электронными ресурсами
Интернет;
- владеть навыками применения базовых знаний в области математики и
естественных наук в определенной области физики конденсированного состояния,
теоретическими и экспериментальными методами определения физических характеристик
твердотельных веществ и материалов, навыками обсуждения проблемных работ из
периодической научной печати, методами сбора информации из различных источников
для подготовки к семинару, докладу на конференции, методами обработки полученных
данных, визуализации результатов работы с применением современного программного
обеспечения
5. Содержание дисциплины
Раздел 1. Силы связи в твердых телах
Электронная структура атомов. Химическая связь и валентность. Типы сил связи в
конденсированном состоянии: Ван дер Ваальсова связь, ионная связь, ковалентная связь,
металлическая связь.
Химическая связь и ближний порядок. Структура вещества с ненаправленным
взаимодействием. Примеры кристаллических структур, отвечающих плотным упаковкам
шаров: простая кубическая, ОЦК, ГЦК, ГПУ, структура типа CsCl, типа NaCl, структура
типа перовскита CaTiO3.
Основные свойства ковалентной связи. Структура веществ с ковалентными
связями. Структура веществ типа селена. Гибридизация атомных орбиталей в молекулах и
кристаллах. Структура типа алмаза и графита.
Раздел 2. Симметрия твердых тел
Кристаллические и аморфные твердые тела. Трансляционная инвариантность.
Базис и кристаллическая структура. Элементарная ячейка. Ячейка Вигнера – Зейтца.
Решетка Браве. Обозначения узлов, направлений и плоскостей в кристалле. Обратная
решетка, ее свойства. Зона Бриллюэна.
Элементы симметрии кристаллов: повороты, отражения, инверсия, инверсионные
повороты, трансляции. Операции (преобразования) симметрии.
Элементы теории групп, группы симметрии. Возможные порядки поворотных осей
в кристалле. Пространственные и точечные группы (кристаллические классы).
Классификация решеток Браве.
Раздел 3. Дефекты в твердых телах
Точечные дефекты, их образование и диффузия. Вакансии и межузельные атомы.
Дефекты Френкеля и Шоттки.
Линейные дефекты. Краевые и винтовые дислокации. Роль дислокаций в
пластической деформации.
Раздел 4. Дифракция в кристаллах
Распространение волн в кристаллах. Дифракция рентгеновских лучей , нейтронов и
электронов в кристалле. Упругое и неупругое рассеяние, их особенности.
Брэгговские отражения. Атомный и структурный факторы. Дифракция в аморфных
веществах.
Раздел 5. Колебания решетки
Колебания кристаллической решетки. Уравнения движения атомов. Простая и
сложная одномерные цепочки атомов. Закон дисперсии упругих волн. Акустические и
оптические колебания. Квантование колебаний. Фононы. Электрон-фононное
взаимодействие.
Раздел 6. Тепловые свойства твердых тел
Теплоемкость твердых тел. Решеточная теплоемкость. Электронная теплоемкость.
Температурная зависимость решеточной и электронной теплоемкости.
Классическая теория теплоемкости. Закон равномерного распределения энергии по
степеням свободы в классической физике. Границы справедливости классической теории.
Квантовая теория теплоемкости по Эйнштейну и Дебаю. Предельные случаи
высоких и низких температур. Температура Дебая.
Тепловое расширение твердых тел. Его физическое происхождение.
Ангармонические колебания.
Теплопроводность решеточная и электронная. Закон Видемана – Франца для
электронной теплоемкости и теплопроводности.
Раздел 7. Электронные свойства твердых тел
Электронные свойства твердых тел: основные экспериментальные факты.
Проводимость, эффект Холла, термоэдс, фотопроводимость, оптическое поглощение.
Трудности объяснения этих фактов на основе классической теории Друде.
Основные приближения зонной теории. Граничные условия Борна – Кармана.
Теорема Блоха. Блоховские функции. Квазиимпульс. Зоны Бриллюэна. Энергетические
зоны. Брэгговское отражение электронов при движении по кристаллу. Полосатый спектр
энергии.
Приближение сильно связанных электронов. Связь ширины разрешенной зоны с
перекрытием волновых функций атомов. Закон дисперсии. Тензор обратных эффективных
масс.
Приближение почти свободных электронов. Брэгговские отражения электронов.
Заполнение энергетических зон электронами. Поверхность Ферми. Плотность
состояний. Металлы, диэлектрики и полупроводники. Полуметаллы.
Раздел 8. Магнитные свойства твердых тел
Намагниченность и восприимчивость. Диамагнетики, парамагнетики и
ферромагнетики. Законы Кюри и Кюри – Вейсса. Парамагнетизм и диамагнетизм
электронов проводимости.
Природа ферромагнетизма. Фазовый переход в ферромагнитное состояние. Роль
обменного взаимодействия. Точка Кюри и восприимчивость ферромагнетика.
Ферромагнитные домены. Причины появления доменов. Доменные границы
(Блоха, Нееля).
Антиферромагнетики. Магнитная структура. Точка Нееля. Восприимчивость
антиферромагнетиков. Ферримагнетики. Магнитная структура ферримагнетиков.
Спиновые волны, магноны.
Движение магнитного момента в постоянном и переменном магнитных полях.
Электронный парамагнитный резонанс. Ядерный магнитный резонанс.
Раздел 9. Оптические и магнитооптические свойства твердых тел
Комплексная диэлектрическая проницаемость и оптические постоянные.
Коэффициенты поглощения и отражения. Соотношения Крамерса-Кронига.
Поглощения света в полупроводниках (межзонное, примесное поглощение,
поглощение свободными носителями, решеткой). Определение основных характеристик
полупроводника из оптических исследований.
Эффекты Фарадея, Фохта и Керра.
Проникновение высокочастотного поля в проводник Нормальный и аномальный
скин-эффекты. Толщина скин-слоя.
Раздел 10. Сверхпроводимость
Сверхпроводимость.
Критическая
температура.
Высокотемпературные
сверхпроводники. Эффект Мейсснера. Критическое поле и критический ток.
Сверхпроводники первого и второго рода. Их магнитные свойства. Вихри
Абрикосова. Глубина проникновения магнитного поля в образец.
Эффект Джозефсона.
Куперовское спаривание. Длина когерентности. Энергетическая щель.
6. Виды учебной работы
Лекции, консультации, практические занятия, самостоятельная работа, собеседование,
экспресс-опросы, научно-исследовательская работа.
7. Технические и программные средства обучения, Интернет- и Интранетресурсы
в) программное обеспечение: стандартные сервисы глобальной сети Интернет.
г) базы данных, информационно-справочные и поисковые системы
http://elibrary.ru
https://scholar.google.ru
http://e.lanbook.com/books/element.php?pl1_id=2023
http://e.lanbook.com/books/element.php?pl1_id=648
http://www.ozon.ru/context/detail/id/27809273/
http://window.edu.ru/resource/305/64305
https://sites.google.com/site/viktormironovipm/SPM-textbook
medphysics-irk.ru/publ-kef/pdf-shalaev/Shalaev-materials.pdf
medphysics-irk.ru/publ-kef/pdf-shalaev/Shalaev_materials-2.pdf
8. Формы текущего контроля успеваемости аспирантов
Собеседования, экспресс-опросы.
9. Виды и формы промежуточной аттестации
Устный экзамен.
10. Разработчик аннотации
Профессор кафедры общей физики ИГУ
Е.Ф.Мартынович