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
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.
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
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 efekt zjawiska kwantowomechanicznego jakim jest tunelowanie przez barierę potencjału (~10 nm).
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
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
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 Bosego- Einsteina, oraz za przeprowadzenie doświadczeń nad zbadaniem jego właściwości
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