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.

ZH-1 április 5, 18:15-20:00, a névsorban A-O E1B terem, a névsorban P-Z E1C terem. Konzultáció április 4, KF81 16:15-18:00; minta-ZH; tipikus kérdések.
ZH-1 eredmények; ZH-1 grafikon
pótZH-1 eredmények

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: Alagutazás potenciálgáton keresztül, pásztázó alagútmikroszkóp (STM) detektálási árama, (SQUID), Flash-memória, kísérlet: alagútáram pont-kontaktusban, molekuláris elektronika
március 3.
Fizikai mennyiségek várható értéke: várható értéke és szórás; hullámcsomag; határozatlansági reláció

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: Diszkrét transzlációs szimmetria, rács és reciprok rács, szimmetriaműveletek, Neumann-elv és alkalmazása

március 22.
Szerkezetmeghatározás-I: rugalmas szóráskísérletek, Ewald-szerkesztés; szinkrotron, szabad-elektron lézer, neutron-források
március 24.
Szerkezetmeghatározás-II, Kristályok dinamikája: Röntgen-holográfia, kvázikristályok, amorf anyagok; rácsrezgések, lineáris lánc rezgései, fonon fogalma

március 29.
elmarad (Szenátusi ülés miatt)
március 31.
A kvantummechanikai rész + kristálytan összefoglalása (Az első 11 előadás)

április 4.
Konzultáció, minta-ZH; tipikus kérdések; KF81 16:15-18:00,

április 5.
Fémek szabad-elekton modellje:Sommerfeld-modell, Fermi-Dirac statisztika, termikus és mágneses tulajdonságok, Pauli-szuszceptibilitás kiszámítása, kvantum-statisztikák
április 7.
Szilárd testek sávszerkezete: szoros kötésű közelítés, fémek és félvezetők sávszerkezete, effektív tömeg, elektron és lyukvezetés

április 12.
Ballisztikus elektron-transzport: félvezető heteroátmenetek, tervezett tulajdonságú kétdimenziós elektrongáz, extrém nagy mobilitású elektronok, vezetőképesség kvantum, ballisztikus elektron terjedést kimutató kísérletek
április 14.
Mezoszkopikus transzport: koherens elektronállapotok, Landauer-formalizmus, Aharonov-Bohm effektus, s-mátrix technika; memrisztorok nanométeres méretskálán

április 19.
Makroszkópikus elektron-transzport -- fémek': Boltzmann-egyenlet, fémek vezetőképessége és optikai tulajdonságai
április 21
Makroszkópikus elektron-transzport -- félvezetők: Sávok betöltése, félvezetők vezetőképessége, adalékolt félvezetők, félvezetők töltéshordozói

április 26.
[http://dept.phy.bme.hu/vik/19_Felvezeto_eszkozok&kvantum_dot.pdf Félvezető eszközök, nkvantum-pötty: MOSFET működési elve, egyelektron tranzisztor, memrisztor, kvantum-pötty,
április 28.
Nanoelektronika: qbit, kvantum számítógép, grafén-elektronika

május 3.
Szenzorok
május 5.
A elektronfizikai rész összefoglalója (A megelőző 9 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 időpontjai: június 3, 10 és 24 (péntek) 12:15-14:00.
A vizsgakérdések valamennyi előadás tartalmára kiterjednek. Az írásbeli vizsga után - a legalább 70 pontos eredményt elérőknek - szóbeli vizsga lehetséges a jeles érdemjegyért (a 85 pont feletti eredményt elérők szóbeli vizsga nélkül megkapják a jeles érdemjegyet).
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, E1C terem) 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 május 31 (kedd) 12:15-14:00 között. 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.