Podstawy fizyki materii skondensowanej

S. Baran - Podstawy fizyki materii skondensowanej - Wstęp
Podstawy fizyki materii skondensowanej
Wykład (30 h):
dr hab. S. Baran – pokój D-1-59 / tel. (12 664) 4686
http://users.uj.edu.pl/~ufbaran/dydaktyka/
Ćwiczenia (15 h):
dr hab. P. Starowicz – pokój D-1-42 / tel. (12 664) 4545
Podręcznik: Charles Kittel „Wstęp do fizyki ciała stałego”, PWN 1999 lub 2012
Literatura uzupełniająca:
Harald Ibach, Hans Lüth „Fizyka ciała stałego”, PWN 1996
Neil W. Ashcroft, N. David Mermin, „Fizyka ciała stałego”, PWN 1986
J. Spałek, Wstęp do fizyki materii skondensowanej, PWN, Warszawa, 2015
S. Baran - Podstawy fizyki materii skondensowanej - Wstęp
Fizyka materii skondensowanej
1) ciało stałe
- kryształy (porządek dalekozasięgowy, struktura periodyczna)
- kwazikryształy (porządek dalekozasięgowy, brak periodyczności)
- ciała amorficzne (porządek krótkozasięgowy, brak periodyczności)
2) ciecze
- nadciekłość (nadpłynność)
3) miękka materia
- ciekłe kryształy (ciecze anizotropowe)
- układy koloidalne (faza rozproszona w fazie ciągłej: aerozole, piany, emulsje, zole, żele)
- polimery
4) fazy niskotemperaturowe
- kondensat Bosego-Einsteina
- kondensat Fermiego (ciecz Fermiego)
Faza (termodynamiczna) – część układu fizycznego jednolita pod względem własności fizycznych
(np. gęstość, współczynnik załamania, namagnesowanie, skład chemiczny). Dana faza jest
oddzielona od innych faz powierzchniami zwanymi granicami faz.
S. Baran - Podstawy fizyki materii skondensowanej - Wstęp
Fizyka materii skondensowanej
1) struktura
- uporządkowanie dalekiego/krótkiego zasięgu
- periodyczność
- symetria
2) własności elektronowe
- przewodnictwo elektryczne i cieplne (metal, półprzewodnik, izolator)
- teoria pasmowa
- uporządkowanie magnetyczne (ferro-, antyferro-, paramagnetyzm)
3) własności sieciowe
- fonony
- defekty
4) zjawiska fazowe
- przejścia fazowe, parametr uporządkowania
- granice faz
5) nanotechnologia
6) nadciekłość
S. Baran - Podstawy fizyki materii skondensowanej - Wstęp
Dlaczego warto zajmować się fizyką materii skondensowanej?
1) ponieważ pozwala zrozumieć otaczający nas (bezpośrednio) świat
- wyjaśnia takie takie własności fizyczne jak np.: przewodnictwo elektryczne i cieplne, plastyczność,
przezroczystość
2) ponieważ ma praktyczne zastosowania
- np.: półprzewodniki → elektronika → komputery
3) ponieważ jest ważna dla rozwoju nauki
- ponad 40 nagród Nobla w dziedzinie fizyki i chemii
4) ponieważ jest łatwo dostępnym laboratorium dla mechaniki kwantowej i fizyki statystycznej
-
przykład:
dioda
tunelowa
pozwala
„zobaczyć”
makroskopowy
kwantowomechanicznego jakim jest tunelowanie przez barierę potencjału (~10 nm).
efekt
zjawiska
S. Baran - Podstawy fizyki materii skondensowanej - Wstęp
Wykaz nagród Nobla związanych z fizyką materii skondensowanej
(nagrody z chemii zaznaczone na niebiesko)
1) 1901 W. C. Röntgen za odkrycie promieni X
2) 1913 H. K.Onnes za badanie własności materii w niskich temperaturach, które to badania doprowadziły, m. in.,
do wytworzenia ciekłego helu
3) 1914 Max von Laue za odkrycie dyfrakcji promieni Roentgena na kryształach
4) 1915 Sir W. H. Bragg, W. L. Bragg za zasługi w badaniu struktury krystalicznej za pomocą promieni Roentgena
5) 1920 Ch. E. Guillaume za wkład jaki wniósł w precyzyjne pomiary w fizyce dzięki odkryciu anomalii w stopach
niklowo-stalowych
6) 1924 K. M. G. Siegbahn za odkrycia i badania w dziedzinie spektroskopii promieni X
7) 1925 T. Svedberg za wykazanie niejednorodnej natury roztworów koloidalnych i opracowanie metod
eksperymentalnych chemii koloidów
8) 1926 H. O. Wieland za prace nad układami dyspersyjnymi
9) 1932 I. Langmuir za odkrycia i badania nad chemią powierzchni
10) 1936 P. J. W. Debye za wkład do wiedzy na temat struktury molekuł poprzez badania momentów dipolowych
oraz dyfrakcji promieniowania X i elektronów na gazach
11) 1937 C. J. Davisson, G. P. Thomson za doświadczalne odkrycie dyfrakcji elektronów na kryształach
12) 1949 W. F. Giauque za wkład w dziedzinę termodynamiki chemicznej, w szczególności dotyczący zachowania
substancji w ekstremalnie niskich temperaturach
13) 1953 H. Staudinger za odkrycia w dziedzinie chemii supramolekularnej
14) 1956 W. B. Shockley, J. Bardeen, W. H. Brattain za badania półprzewodników i wynalezienie tranzystora
15) 1962 L. Dawidowicz Landau za pionierskie teorie skondensowanej materii, w szczególności ciekłego helu
S. Baran - Podstawy fizyki materii skondensowanej - Wstęp
Wykaz nagród Nobla związanych z fizyką materii skondensowanej
(nagrody z chemii zaznaczone na niebiesko)
16) 1963 K. Ziegler, G. Natta za badania dotyczące polimerów i zastosowanie związków metaloorganicznych
w polimeryzacji
17) 1964 D. C. Hodgkin za ustalenie budowy ważnych substancji biochemicznych
18) 1970 L. E. F. Néel
(½) za fundamentalne prace i odkrycia związane z antyferromagnetyzmem
i ferrimagnetyzmem, które doprowadziły do ważnych zastosowań w fizyce ciała stałego
19) 1972 J. Bardeen, L. N. Cooper, J. R. Schrieffer za odkrycie teorii nadprzewodnictwa
20) 1973 L. Esaki (¼) za odkrycie tunelowania w półprzewodnikach; I. Giaever (¼) za odkrycie tunelowania w
nadprzewodnikach;
B. D. Josephson
(½)
za
teoretyczne
przewidzenie
własności
przepływu
prądu
nadprzewodnictwa przez barierę
21) 1974 P. J. Flory za fundamentalne osiągnięcia, zarówno teoretyczne jak i eksperymentalne, w chemii fizycznej
makromolekuł
22) 1977 P. W. Anderson, Sir N. F. Mott, J. H. van Vleck za fundamentalne badania teoretyczne struktury
elektronowej układów magnetycznych i nieuporządkowanych
23) 1978 Piotr Kapica (½) za odkrycia w fizyce niskich temperatur
24) 1981 K. M. Siegbahn (½) za wkład do rozwoju mikroskopii elektronowej wysokiej rozdzielczości
25) 1982 A. Klug za rozwinięcie krystalograficznej mikroskopii elektronowej oraz za określenie struktury
biologicznie ważnych kompleksów białek z kwasami nukleinowymi
26) 1985 Klaus von Klitzing za odkrycie kwantowego efektu Halla
27) 1985 H. A. Hauptman, J. Karle za niezwykłe osiągnięcia w rozwoju bezpośrednich metod określania struktury
krystalicznej
S. Baran - Podstawy fizyki materii skondensowanej - Wstęp
Wykaz nagród Nobla związanych z fizyką materii skondensowanej
(nagrody z chemii zaznaczone na niebiesko)
28) 1986 E. Ruska (½) za jego podstawowe prace z optyki elektronowej i projekt pierwszego mikroskopu
elektronowego; G. Binnig (¼), H. Rohrer (¼) za ich projekt skaningowego mikroskopu tunelowego
29) 1987 J. G. Bednorz, K. A. Müller za postęp w odkryciu nadprzewodnictwa materiałów ceramicznych
30) 1991 Pierre-Gilles de Gennes za odkrycie, że metody rozwinięte przy badaniu zjawisk uporządkowania w
prostych układach mogą być uogólnione do bardziej złożonych form materii, na przykład ciekłych kryształów i
polimerów
31) 1994 B. Brockhouse, C. Shull za pionierski wkład do rozwoju technik rozpraszania neutronów dla badań
materii skondensowanej
32) 1996 D. M. Lee, D. D. Osheroff, R. C. Richardson za odkrycie nadciekłości w izotopie helu-3
33) 1996 R. Curl, Sir H. Kroto, R. Smalley za odkrycie fulerenów nowej odmiany węgla (obok grafitu i diamentu)
w 1985
34) 1998 R. B. Laughlin, H. Störmer, D. C. Tsui za odkrycie cieczy kwantowej ze wzbudzeniami o ładunku
ułamkowym
35) 2000 Ż. Ałfiorow (¼), H. Kroemer (¼) za osiągnięcia w dziedzinie półprzewodników heterostrukturalnych;
J. Kilby (½) za wkład w wynalezienie układu scalonego
36) 2000 A. Heeger, A. MacDiarmid, H. Shirakawa za odkrycie i badania nad polimerami przewodzącymi prąd
elektryczny
37) 2001 E. Cornell, W. Ketterle, C. E. Wieman za uzyskanie nowego stanu materii, tzw. kondensat BosegoEinsteina, oraz za przeprowadzenie doświadczeń nad zbadaniem jego właściwości
S. Baran - Podstawy fizyki materii skondensowanej - Wstęp
Wykaz nagród Nobla związanych z fizyką materii skondensowanej
(nagrody z chemii zaznaczone na niebiesko)
38) 2003 A. A. Abrikosow, W. Łazarewicz Ginzburg, A. J. Leggett za pionierski wkład w rozwój teorii
nadprzewodnictwa i nadciekłości
39) 2007 A. Fert (½), P. Grünberg (½) za odkrycie gigantycznego magnetooporu
40) 2007 G. Ertl za badania procesów chemicznych zachodzących na powierzchni ciał stałych
41) 2009 W. S. Boyle (¼), G. E. Smith (¼) za opracowanie połprzewodnikowego obwodu obrazującego – sensora
CCD
42) 2010 A. Gejm (½), K. Nowosiołow (½) za przełomowe badania nad grafenem
43) 2011 Dan Shechtman za odkrycie kwazikryształów
44) 2014 I. Akasaki, H. Amano, S. Nakamura za wynalezienie efektywnej niebieskiej diody elektroluminescencyjnej,
która może być źródłem jasnego i energooszczędnego światła białego