Condensed matter physics

Syllabus

1. Základní charakteristiky kondenzovaných látek (KL) - síly, energie a časové škály v KL, plyny kapaliny a pevné látky, viskózní, elastické a viskoelastické chování látek, odezva KL na smykové napětí (Hookovské látky, Newtonowské kapaliny-základní představy o mechanismu odezvy na mikroskopické úrovni), kapaliny, skla a kovová skla, amorfní látky, polymery.

2. Struktura kondenzovaných látek - látky krystalické a amorfní, monokrystaly a polykrystaly, krystalové struktury, symetrie ideálních krystalů, krystalografické prvky symetrie, prostorové mříže, Bravaisovy mřížky, značení směrů a rovin (Millerovy indexy), reciproká mříž, koordinační čísla, nejtěsnější uspořádání, tuhé roztoky, kapalné krystaly.

3. Vazby v krystalu - Van der Waalsova vazba, iontové krystaly (Madelungova konstanta, Madelungova energie a metody jejího výpočtu - Evjenova metoda), kovalentní vazba, kovová vazba, vodíková vazba, smíšené vazby.

4. Difrakce rentgenového záření a elektronů na krystalech - Laueho a Braggova teorie interakce rentgenového záření s krystalem, experimentální rentgenové metody, reciproká mříž a difrakční podmínky, Ewaldova konstrukce, strukturní faktor, atomový rozptylový faktor, difrakce elektronů, difrakce na polykrystalech.

5. Poruchy krystalových struktur - bodové poruchy (vakance, intersticie, příměsové atomy), dislokace, napěťové pole dislokace, dvojčatění, vrstevné chyby, hranice zrn a subzrn, maloúhlové hranice, vysokoúhlové hranice, rovnovážná koncentrace bodových poruch, napěťová pole dislokací.

6. Deformace krystalických látek - deformace a napětí, elastická deformace (jednoosý tah a tlak, elastická deformace ve smyku, maximální smykové napětí ve vzorku), Schmidův zákon, Schmidův orientační faktor, Hookův zákon a jeho zobecněný tvar (tenzor napětí, tenzor deformace), elastické konstanty a moduly, plastická deformace monokrystalů, plastická deformace polykrystalů, mechanizmy plastické deformace.

7. Tepelná kapacita krystalických látek - klasická teorie a její selhání (Dulongovo-Pettitovo pravidlo), Einsteinova teorie tepelné kapacity mřížky, kmitové stavy spojitého prostředí, Debyeova teorie tepelné kapacity mřížky, příspěvek elektronů k tepelné kapacitě pevné látky.

8. Kmity mříže - Bornův způsob ohraničení frekvenčního spektra, pružné vlny v nekonečném lineárním řetězci stejných atomů, kmity konečného lineárního řetězce stejných atomů, ekvivalence kmitového stavu a harmonického oscilátoru, fonony.

9. Elektrony v krystalických látkách - nástin Drudeho (klasického) modelu volných elektronů v kovech a Sommerfeldova (kvantového) modelu volných elektronů v kovech, Fermiho plyn volných elektronů, vliv vnějších polí, elektron v periodickém poli, elektron jako částice v krystalu, elektron jako vlna v krystalu.

10. Pásový model elektronové struktury pevných látek - vznik pásové struktury, klasifikace PL podle pásové struktury (popř. nástin problematiky Brillouinových zón, pohybu elektronů v jednorozměrném prostoru podle pásové teorie, efektivní hmotnosti apod.).

11. Aplikace fyziky polovodičů - polovodič vlastní a nevlastní, P-N přechod, polovodičová dioda, LED, bipolární tranzistor, unipolární tranzistory (JFET, MESFET, MOSFET).

12. Základy supravodivosti - objev supravodivosti, perzistentní stav, Meissnerův jev, izotopický jev, supravodiče I. a II. druhu, teorie ideálního vodiče, fenomenologická teorie bratří Londonů, Cooperovy páry a nástin BCS teorie, vysokoteplotní supravodivost (informativně).

13. Tepelné, elektrické a magnetické vlastnosti krystalických látek - tepelná kapacita, teplotní roztažnost, tepelná vodivost, teplotní závislost elektrického odporu, Hallův jev, diamagnetismus, paramagnetismus, feromagnetismus.

14. Základy termodynamiky pevných látek - fáze, fázová rovnováha, směsné fáze, fázové diagramy (jednosložkové, dvousložkové, třísložkové) základní binární rovnovážné stavové diagramy slitin, fázové transformace.

Annotation

Obsahem přednášky jsou základní partie fyziky kondenzovaného stavu. Pozornost je věnována převážně těmto tématům: struktura kondenzovaných látek, difrakce rentgenového záření a elektronů na krystalech, vazby v pevných látkách, poruchy krystalových struktur, deformace pevných látek, základy termodynamiky kondenzovaných látek, kmity mříže a tepelné vlastnosti materiálů, elektrony v krystalických látkách, tepelné, elektrické a magnetické vlastnosti kondenzovaných látek, základy supravodivosti a novinky z fyziky materiálů.

Studenti si mohou zapsat také volitelné cvičení k této přednášce.