Fizika 3 - Villamosmérnöki mesterszak

2017. tavaszi félév

A Fizika 3 tárgy a kvantummechanikai elvekre épülő modern szilárdtestfizikába vezet be miközben számos korszerű elektronikai és nanotechnológiai alkalmazást is ismertet.

Ajánlott irodalom azoknak, akik egy-egy területen alaposabban el kívánnak mélyülni:
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
"Bevezető" kvantummechanika jegyzet releváns fejezetei
"Haladó" kvantummechanika jegyzet releváns fejezetei
Kedvcsináló: Mihály György: Mire jó a kvantumfizika?

A jegyzetelést elősegítő kivonatok letölthetők az előadás címén keresztül (jelszó ismeretében). Ezeket érdemes kinyomtatni, majd az előadáson erre jegyzetelni. Az alábbi tematikában az előadás címek mellett szerepelnek a témához kapcsolódó fontosabb fogalmak, számolási gyakorlatok valamint az előadáson ismertetésre kerülő eszközök és alkalmazások.

február 7. (kedd) 14:15 F29 terem
Elektromágneses hullámok: szuperpozíció elve; interferencia; fotoeffektus; hőmérsékleti sugárzás; foton fogalma, foton detektálásának valószínűsége, fotoemissziós spektroszkópia.
február 9.
Lézerek: spektrumok (kísérlet); atomok gerjesztése, Einstein-egyűtthatók, indukált emisszió, optikai erősítés, lézerfény tulajdonságai, lézer alkalmazások

február 14.
Elektronok hullámtermészete: a hullámfüggvény valószínűségi értelmezése; képalkotás és diffrakció elektronmikroszkóppal; szabad részecske hullámfüggvénye; operátorok fogalma; hullámcsomag.
február 16.
Elektronok potenciáltérben: elektronok hullámhosszának szabályzása; elektron-hullámok keltése (Fowler-Nordheim alagúteffektus); transzmissziós és pásztázó elektronmikroszkóp (TEM és SEM), elektron-litográfia; Schrödinger-egyenlet.

február 21.
Alagúteffektus: Alagutazás potenciálgáton keresztül, pásztázó alagútmikroszkóp (STM) detektálási árama, (SQUID), Flash-memória, kísérlet: alagútáram pont-kontaktusban, molekuláris elektronika
február 23.
Fizikai mennyiségek várható értéke: várható értéke és szórás; hullámcsomag; határozatlansági reláció

február 28.
Operátorok alkalmazása a kvantummechanikában: felcserélési reláció; harmonikus oszcillátor; a harmonikus oszcillátorhoz kapcsolódó kvantum jelenségek: hőmérsékleti sugárzás, szilárd testek fajhője; kvantum-kaszkád lézer.
március 2.
Mágneses atomok: Impulzusmomentum operátor, atomok pályamomentuma, elektron-spin, Hund-szabályok.

március 7.
Kristályok szerkezete, szimmetriák: Diszkrét transzlációs szimmetria, rács és reciprok rács, szimmetriaműveletek, Neumann-elv és alkalmazása
március 9.
Szerkezetmeghatározás-I: rugalmas szóráskísérletek, Ewald-szerkesztés; szinkrotron, szabad-elektron lézer, neutron-források

március 14.
Szerkezetmeghatározás-II, : Röntgen-holográfia, kvázikristályok, amorf anyagok
március 16.
Kristályok dinamikája: ; rácsrezgések, lineáris lánc rezgései, fonon fogalma

Fémek szabad-elekton modellje:Sommerfeld-modell, Fermi-Dirac statisztika, termikus és mágneses tulajdonságok, Pauli-szuszceptibilitás kiszámítása, kvantum-statisztikák

Szilárd testek sávszerkezete: szoros kötésű közelítés, fémek és félvezetők sávszerkezete, effektív tömeg, elektron és lyukvezetés

Ballisztikus elektron-transzport: félvezető heteroátmenetek, tervezett tulajdonságú kétdimenziós elektrongáz, extrém nagy mobilitású elektronok, vezetőképesség kvantum, ballisztikus elektron terjedést kimutató kísérletek

Mezoszkopikus transzport: koherens elektronállapotok, Landauer-formalizmus, Aharonov-Bohm effektus, s-mátrix technika; memrisztorok nanométeres méretskálán

Makroszkópikus elektron-transzport -- fémek': Boltzmann-egyenlet, fémek vezetőképessége és optikai tulajdonságai

Makroszkópikus elektron-transzport -- félvezetők: Sávok betöltése, félvezetők vezetőképessége, adalékolt félvezetők, félvezetők töltéshordozói

Félvezető eszközök, kvantum-pötty: MOSFET működési elve; félvezető lézer/LED/napelem; kvantum-pötty, egyelektron tranzisztor,

Nanoelektronika: Csonka Szabolcs előadása futó kutatásokról; qbit, kvantum számítógép, grafén-elektronika

Szenzorok: piezo, MEMS és mágneses szenzorok; rezgővillás kísérlet; MEMS-giroszkóp működési elve, lézeres távolságmérés, SONAR, RADAR, LIDAR

A szilárdtest-fizikai rész összefoglalója: (A megelőző 9 előadás összefoglalása) + Lock in detektálás (Phase Sensitive Detection)

Mágnesség I: mágneses kölcsönhatások; ferro-, ferri- és antiferromágneses anyagok; mágnesség rács-modellje; kolosszális mágneses ellenállás; mágnesezettség mérése.

Mágnesség II: ferromágnesség sáv-modellje; spintronika: spin-szelep, GMR, STT MRAM, spin-szelep működése (Landauer-formalizmus)

Szupravezetés jelensége: zérus ellenállás, Meissner-effektus, első és másodfajú szupravezetők, szupravezető vortexek

Szupravezető alkalmazások: fluxus-kvantálás, Josephson-effektus; szupravezető kvantum-interferométer (SQUID), szupravezető mágnesek; szupravezető kísérletek bemutatása

A tárgy adatai

Előadó: Mihály György(TTK Fizika Tanszék)
Tantárgykód: TE11MX01, TE11MX33
Nyelv: magyar

Helyszín: F29 terem,
Időpont: kedd, csütörtök 14:15 - 16:00

Félévközi számonkérések:

A félév során két zárthelyi dolgozat lesz: március 28 (kedd) 18-20 és május 2 (kedd) 18-20.

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 - 55
3 (közepes) : 55 - 70
4 (jó) : 70 - 85
5 (jeles) : 85 -
(az aláhúzott érték a jegyhez tartozó alsó határ)

Az aláírás feltétele mindkét ZH teljesítése minimum elégségesre (40 pont).
Két sikertelen zárthelyi dolgozat esetén félévközi jegy nem szerezhető.

Félév végi jegy: írásbeli vizsga
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 - 55
3 (közepes) : 55 - 70
4 (jó) : 70 - 85
5 (jeles) : 85 -
(az aláhúzott érték a jegyhez tartozó alsó határ)

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 6 (csütörtök) 18-20, május 18 (csütörtök) 10-12. Minden hallgató legfeljebb az egyiken vehet részt (akinek két sikertelen zh-ja van, nem kaphat aláírást)

• egy további pót-pótzárthelyit tartunk. Ezen két feladatsor lesz, amelyiken mindenki a másodszor 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.