Applied and Experimental Physics - Interactive curriculae of TU Ilmenau

Die Studierenden haben einen Einblick in die Grundlagen und in aktuelle Fragestellungen zu den Themen Magnetismus und Supraleitung und können diese erklären. Durch die Kombination aus Vorlesung und Übung sind die Studierenden in die Lage, selbständig Probleme zu lösen und idealerweise neue Probleme zu erkennen.

Die Vorlesung behandelt zunächst kollektive Phänomene dielektrischer Festkörper-Eigenschaften wie die Thomas-Fermi-Abschirmung in einem Elektronengas, Exzitonen, Plasmonen, Polaronen, Polaritonen und deren Dispersionsrelationen. Im weiteren Verlauf werden dynamische Prozesse im Kristallgitter vertieft, Analogien des Quantenkonzepts von Phononen und Photonen erläutert und anharmonische Effekte im Festkörper diskutiert. Ausgehend vom Drude-Sommerfeld-Modell des freien Fermi-Gases und den Fickschen Gesetzen werden Diffusion, Transport und Ladungsträgerdynamik über Ratengleichungen wie die Kontinuitätsgleichung und die Boltzmanngleichung behandelt. Das Vorlesungskapitel der Supraleitung erläutert mit Hilfe der London-Gleichungen zunächst die experimentellen Befunde wie Meissner-Ochsenfeld-Effekt und Kohärenzeigenschaften und anschließend die Bardeen-Cooper-Schrieffer-Theorie mit Cooper-Paaren als wechselwirkende Teilchen. Nach der Vermessung der Energielücke wird die makroskopische Wellenfunktion und die Flussquantisierung erläutert sowie der Josephson-Effekt, SQUID und die Ginzburg-Landau-Theorie vorgestellt. Zum Ende dieses Kapitels werden Supraleiter 2. Art und Hochtemperatur-Supraleiter erläutert. Im Kapitel Magnetismus werden zunächst freie Elektronen im äußeren Magnetfeld betrachtet, das 2D Elektronengas, Landau-Niveaus, de Haas van Alphen Effekt, Zyklotron-Resonanz, Hall- und Quantenhalleffekt. Wechselwirkungen zwischen einzelnen Atomen, die mikroskopische Ursache von Dia-, Para- und Ferromagnetismus werden im Detail dargestellt wie auch Magnonen, Spinanregung im Festkörper, Spin-Richtungsänderungen innerhalb einer Blochwand sowie die magnetische Anisotropieenergie. Am Ende werden Grenzflächen, Heterokontakte und Hybridkontakte vorgestellt, deren Passivierung und Funktionalisierung, Molekül-Halbleiter-Funktionsbausteine sowie dimensionsreduzierte Strukturen, 1D Transport, das 2D Elektronengas und Subbandstrukturen darin.

Tafel, Computer-Präsentation

H. Ibach and H. Lüth, Solid-State Physics (Springer 2003)

N.W. Ashcroft and N.D. Mermin, Solid State Physics (Saunders 1976)

C. Kittel, Introduction to Solid State Physics (Wiley 2005)

S. Hunklinger, Festkörperphysik (Oldenbourg 2007)

K. Kopitzki, Einführung in die Festkörperphysik (Teubner Studienbuch); Ch. Weißmantel und C. Hamann: Grundlagen der Festkörperphysik (Barth 1995)

K.-H. Hellwege, Einführung in die Festkörperphysik (Springer 1994)

P. Mohn, Magnetism in the Solid State (Springer, 2006)

S. Chikazumi, Physics of Ferromagnetism (Oxford, 1997)

M. Tinkham, Introduction to Superconductivity (Dover, 1996)

W. Buckel, R. Kleiner, Supraleitung (Wiley 2004)

O. Madelung, Festkörpertheorie I - III (Springer); C. Kittel, Quantum-Theory of Solids (Wiley); H. Haken, Quantenfeldtheorie des Festkörpers (Teubner, 1993)

R. E. Peierls, Quantum Theory of Solids (Oxford, 1955)

A. Aharoni, Introduction to the Theory of Ferromagnetism (Oxford, 1996)