Fizika 3 - Villamosmérnöki mesterszak
2016. tavaszi félév
A Fizika 3 tárgy a kvantummechanikai elvekre épülő modern szilárdtestfizikába vezet be miközben számos korszerű elektronikai és nanotechnológiai alkalmazást is ismertet. Az előadások során csak fokozatosan épül fel a kvantumjelenségek értelmezését szolgáló -- sokak számára szokatlan -- matematikai apparátus.
Ajánlott irodalom:
Geszti Tamás - Kvantummechanika.
Az előadásban lefedett anyag: a könyv 1-6 fejezete, valamint a 7,9,12 és 13 egyes alfejezetei.
Sólyom Jenő: A modern szilárdtestfizika alapjai I-II (második kiadás), Eötvös Kiadó, Budapest (2009).
Jelenségek, eszközök: Nanofizika tudásbázis
Kivonatok "bevezető" kvantummechanika jegyzetből
Kivonatok "haladó" kvantummechanika jegyzetből
Kedvcsináló:
Mihály György: Mire jó a kvantumfizika?
A jegyzetelést elősegítő kivonatokat érdemes kinyomtatni (letölthetők az előadás címén keresztül), majd az előadáson erre jegyzetelni. Ezek önmagukban nem elegendőek a megértéshez, ahhoz a szóban elhangzó magyarázatokat is hallani kell – ezért érdemes előadásra járni. Az alábbi tematikában az előadás címek mellett szerepelnek a témához kapcsolódó fontosabb fogalmak, számolási gyakorlatok valamint az előadáson ismertetésre kerülő eszközök és alkalmazások.
február 16. (kedd) 14:15 F29 terem
Elektromágneses hullámok: szuperpozíció elve; interferencia; fotoeffektus; hőmérsékleti sugárzás; foton fogalma, foton detektálásának valószínűsége, fotoemissziós spektroszkópia.
február 18.
Lézerek: spektrumok (kísérlet); atomok gerjesztése, Einstein-egyűtthatók, indukált emisszió, optikai erősítés, lézerfény tulajdonságai, lézer alkalmazások
február 23.
Elektronok hullámtermészete: a hullámfüggvény valószínűségi értelmezése; képalkotás és diffrakció elektronmikroszkóppal; szabad részecske hullámfüggvénye; operátorok fogalma; hullámcsomag.
február 25.
Elektronok potenciáltérben: elektronok hullámhosszának szabályzása; elektron-hullámok keltése (Fowler-Nordheim alagúteffektus); transzmissziós és pásztázó elektronmikroszkóp (TEM és SEM), elektron-litográfia; Schrödinger-egyenlet.
március 1.
Alagúteffektus, valószínűségi áram: Schrödinger-egyenlet megoldása egyszerű potenciálok esetén , pásztázó alagútmikroszkóp (STM) detektálási árama, szupravezetők Josephson-árama (SQUID), Flash-memória, alagútáram pont-kontaktusban(kísérlet)
március 3.
Pontszerű-e az elektron?: kiterjedt és lokalizált részecske, határozatlansági reláció; fizikai mennyiség várható értéke; elektron s-típusú atomi pályán <--> vezetési elektron.
március 8.
Operátorok alkalmazása a kvantummechanikában: felcserélési reláció; harmonikus oszcillátor; a harmonikus oszcillátorhoz kapcsolódó kvantum jelenségek: hőmérsékleti sugárzás, szilárd testek fajhője; kvantum-kaszkád lézer.
március 10.
Mágneses atomok: Impulzusmomentum operátor, atomok pályamomentuma, elektron-spin, Hund-szabályok.
március 17.
Kristályok szerkezete, szimmetriák: Rács és reciprok rács, Miller-indexek, szimmetriaműveletek, Neumann-elv és alkalmazása
március 22.
Szerkezetmeghatározás: rugalmas szóráskísérletek, Ewald-szerkesztés; szinkrotron, szabad-elektron lézer, neutron-források
március 29.
Kristályok dinamikája: rácsrezgések, fonon fogalma, rugalmatlan neutronszórási kísérletek
március 31.
A kvantummechanikai rész + kristálytan összefoglalása (Az első 10 előadás)
április 5.
április 7.
Szilárd testek sávszerkezete: szabad elektron modell, szoros kötésű közelítés, fémek és félvezetők sávszerkezete, fotoemissziós kísérletek, effektív tömeg, elektron és lyukvezetés
április 12.
április 14.
Ballisztikus és mezoszkopikus transzport: félvezető heteroátmenetek, koherens elektronállapotok, Landauer-formalizmus, Aharonov-Bohm effektus, nagy mobilitású elektronok, T-mátrix technika
április 19.
április 21
Makroszkópikus elektron-transzport: Boltzmann-egyenlet, fémek és félvezetők vezetőképessége, szilícium, félvezetők töltéshordozói
április 26.
április 28.
Félvezető eszközök, nanoelektronika: MOSFET működési elve, egyelektron tranzisztor, memrisztor, kvantum-pötty,
május 3.
Szenzorok
május 5.
A Szilárdtestfizikai rész összefoglalója (A megelőző 10 előadás)
május 10.
május 12.
Mágnesség: ferro-, ferri- és antiferromágneses anyagok; ferromágnesség sáv-modellje; spintronika: spin-szelep, GMR, STT MRAM, spin-szelep működése (Landauer-formalizmus)
május 17.
május 19.
Szupravezetés: zérus ellenállás, Meissner-effektus; szupravezető kvantum-interferométer (SQUID), szupravezető mágnesek; fluxus-kvantálás, Josephson-effektus
A tárgy adatai
Előadó: Mihály György(TTK Fizika Tanszék)
Tantárgykód: TE11MX01
Követelmények: 3/1/0/v
Kredit: 5
Nyelv: magyar
Helyszín: F29 terem,
Időpont: kedd, csütörtök 14:15 - 16:00
Félévközi számonkérések:
A félév során két zárthelyi dolgozat lesz: április 5 (kedd) 18:15 - 20:00, valamint május 10 (kedd) 18:15 - 20:00.
A zárthelyi dolgozatok egyenként 40 pont feletti eredmény esetén eredményesek (a maximálisan elérhető pontszám egy zárhelyinél 100 pont).
A zárthelyi dolgozatok értékelése:
- 2 (elégséges) 40 pont -
- 3 (közepes) 55 pont -
- 4 (jó) 70 pont -
- 5 (jeles) 85 pont -
Az aláírás feltétele mindkét ZH teljesítése minimum elégségesre (40 pont).
Két sikertelen zárthelyi dolgozat esetén (a TVSZ. 14. § 1a. pontjával összhangban) félévközi jegy nem szerezhető.
Félév végi jegy: írásbeli vizsga
Az írásbeli vizsga kérdései valamennyi előadás tartalmára kiterjednek.
Az írásbeli vizsga után - a legalább 70 pontos eredményt elérőknek - szóbeli vizsga lehetséges a jeles érdemjegyért.
Az írásbeli dolgozat értékelése:
- 2 (elégséges) 40 pont -
- 3 (közepes) 55 pont -
- 4 (jó) 70 pont -
- 5 (jeles) 85 pont -
Ha valaki a két évközi ZH-n egyenként minimum 50 pontot ér el, akkor megajánlott jegyet kap.
Az előadásokon jelenléti ívet vezetünk. Azok esetében, akik a foglalkozások 70%-án jelen voltak, a megajánlott jegy megállapításánál a két (egyenként eredményes) zárthelyi átlagához 10 pontot hozzáadunk, egyébként a zárthelyik pontszámának átlagával számolunk.
Egyéb feltételek
Mindenki legfeljebb egy zárthelyit pótolhat, de azt esetleg kétszer
- két pótzárthelyit tartunk a szorgalmi időszakban: április 14-én (csütörtök, 18:15-20:00)a ZH1 pótlására és május 26-án (csütörtök, 10.15-12:00) a ZH2 pótlására. Minden hallgató legfeljebb az egyiken vehet részt (akinek két sikertelen zh-ja van, nem kaphat aláírást)
- egy további pót-pótzárthelyit tartunk a pótlási héten. Két feladatsor lesz, amelyiken mindenki a pótlandó (egy) zárthelyijét pótolhatja. A lefedett előadások azonosak az eredeti ZH-ban szereplőkkel.
A tantárgy célkitűzése
A tárgy célja a korszerű természettudományos világszemlélet kialakítása; a modellalkotási készség fejlesztése. Olyan egyetemi szintű fizikai ismeretek elsajátítása, amely feltétlenül szükséges a szaktárgyak megalapozásához valamint elengedhetetlen a XXI. századi technika világában eligazodni és alkotni akaró mérnök munkájához.
Ezen általános célokon belül a tantárgy további fontos célja:
- a kvantummechanika alapjainak megismertetése, a klasszikus fizika korlátainak felismerése;
- a modern anyagtudomány és a nanotechnológia alapját képező szilárdtestfizikai kvantumjelenségek leírása;
- a kvantummechanikai elvekre épülő eszközök és berendezések működésének bemutatása.
Mindez hozzájárul a villamosmérnöki szakma természettudományos hátterének a megismeréséhez, és kellő alapot nyújt a modern elektronikai eszközökben lezajló folyamatok megértéséhez.