Физический факультет МГУ им. М.В.Ломоносова
Кафедра общей физики для естественных
факультетов
внс Маркосян А.С
6 семестр, 32 часа
Конденсированное состояние и его описание. Атомные и молекулярные орбитали. Типы связи атомов в твердых телах. Кристаллическое и аморфное состояния. Периодические структуры. Индексы оси и плоскости. Решетки Браве. Обратная решетка и еe свойства. Зоны Бриллюэна. Дифракция на атомно-кристаллической структуре. Принципы расшифровки кристаллических структур. Динамика кристаллической решетки. Колебания решетки, состоящей из одинаковых атомов и атомов двух сортов (одномерный случай). Дисперсионные соотношения. Оптическая и акустическая ветви колебаний. Фононы, статистика фононов. Методы исследования фононных спектров. Теплоемкость решетки - экспериментальные данные. Теплоемкость решетки - модели Эйнштейна и Дебая. Методы определения температуры Дебая. Ангармонизм и тепловое расширение. Упругие свойства кристаллов. Упругие деформации и напряжения в кристаллах, их тензорный характер. Плотность упругой энергии. Модули упругости. Электроны в металлах. Классическая и квантовая теории свободных электронов. Статистика Ферми-Дирака. Энергия и поверхность Ферми. Плотность электронных состояний. Удельная теплоемкость свободного электронного газа. Учет периодического потенциала решетки. Теорема Блоха. Зонная теория металлов. Эффективная масса электронов. Электроны вблизи дна и потолка энергетической зоны. Движение электронов в металле под действием внешнего электрического и магнитного полей. Циклотронный резонанс. Эффект де Гааза - Ван Альфена. Уровни Ландау. Эффект Холла. Полупроводники. Металлы, полупроводники и диэлектрики с точки зрения зонной теории. Проводимость полупроводников. Электроны и дырки. Примесные состояния в полупроводниках, донорые и акцепторные примеси. Диэлектрики. Вещество в электрическом поле. Поляризуемость атомов, диэлектрическая проницаемость. Механизмы поляризации. Ориентация диполей в электрическом поле, функция Ланжевена. Диэлектрическая спектроскопия. Сегнетоэлектричество. Несовершенства в кристаллах. Точечные дефекты. Дефекты по Шоттки, по Френкелю. Примесные атомы. Центры окраски. Дислокации краевые, винтовые, их взаимодействие. Вектор Бюргерса. Влияние дефектов на физические свойства кристаллов. Сверхпроводимость. Эксперименальные данные, феноменологическое описание. Качественные черты микроскопического описания. Высокотемпературная сверхпроводимость. Парамагнетизм и диамагнетизм. Переходные f- и d-элементы. Атом в магнитном и электрическом поле. Диамагнетизм и парамагнетизм атомов. Функция Бриллюэна, асимптотическое поведение. Закон Кюри. Восприимчивость системы электронов проводимости. Парамагнетизм Паули, диамагнетизм Ландау. Магнитоупорядоченное состояние. Природа дальнего магнитного порядка. Обменное взаимодействие. Модель Гейзенберга - локализованные магнитные моменты. Молекулярное поле. Ферромагнетизм в приближении молекулярного поля. Закон Кюри-Вейсса. Недостатки приближения среднего поля. Спиновые волны. Зонная теория магнетизма. Критерий ферромагнетизма Стонера. Магнитные материалы. Подрешеточная модель антиферромагнетизма. Антиферромагнетик MnO. Ферримагнетики - нескомпенсированные антиферромагнетики. Закон Нееля. Точка магнитной компенсации. Ферриты. Поведение намагниченности сплавов Fe-Co. Магнитокристаллическая анизотропия.
Доменная структура ферромагнетиков. Образование доменов. Стенка Блоха, толщина доменной стенки. Петля гистерезиса. Коэрцитивная сила.
Постоянные магниты.
профессор Струков Б.А
7 семестр, 36 часов
I. Введение
История исследования сегнетоэлектриков. Основные определения и экспериментальные факты. Структурные типы сегнетоэлектрических материалов. Элементы кристаллографии и кристаллофизики. Тензорное описание физических эффектов в кристаллах. Свойства, описываемые тензорами первого (пироэлектрический эффект), второго (диэлектрическая проницаемость, электропроводность), третьего (пьезоэлектрический эффект), четвертого (упругость и электрострикция) ранга. Равновесный термодинамический потенциал кристалла заданной симметрии. Взаимосвязь электрических, тепловых и механических эффектов в кристаллах.
II. Феноменологическая теория сегнетоэлектричества
Структурные фазовые переходы I и П рода в диэлектриках. Основные идеи теории фазовых переходов Ландау. Характерный параметр фазового перехода. Неравновесный термодинамический потенциал. Изменение симметрии при фазовых переходах П рода. Собственные и несобственные сегнетоэлектрические фазовые переходы в кристаллах. Сегнетоэлектрики-сегнетоэластики. Температурная зависимость спонтанной поляризации, диэлектрической проницаемости, теплоемкости, упругих и пьезоэлектрических модулей. Флуктуационные эффекты при фазовых переходах П рода. Число Гинзбурга-Леванюка. Область применимости теории Ландау для сегнетоэлектрических фазовых переходов. Псевдособственные (слабополярные) сегнетоэлектрики. Доменная структура сегнетоэлектриков. Роль электрических граничных условий. Антифазные границы. Энергия доменной стенки. Движение доменных стенок при переключении спонтанной поляризации электрическим полем. Теория коэрцитивного поля. Сегнетоэлектрики с несоразмерными фазами. "Симметрийно-обусловленные" и "случайные" несоразмерные фазы. Температурная эволюция несоразмерной структурной модуляции. Солитоноподобные структуры. Диэлектрические свойства сегнетоэлектиков с несоразмерной фазой. Явление глобального гистерезиса физических свойств.
III. Микроскопические модели в теории сегнетоэлектричества
Особенности колебательного спектра ионных кристаллов. Макроскопическое и локальное электрическое поле. Поле Лорентца. Проблема неустойчивости симметричного состояния кристаллической решетки сегнетоэлектрика. Мягкая мода в колебательном спектре, механизм ее возникновения. Кооперативный эффект Яна-Теллера. Роль дальнодействующих (кулоновских) и короткодействующих сил. Структурные фазовые переходы типа смещения: "вымораживание" мягкой моды в центре, на краю и в произвольной точке зоны Бриллюэна. Исследование мягких мод методами ИК- и КР-спектроскопии, неупругого рассеяния нейтронов. Сегнетоэлектрики типа порядок-беспорядок. Гамильтониан кристалла с неупорядоченной подрешеткой. Связь с моделью Изинга. Термодинамический потенциал модели Изинга (приближение самосогласованного поля, кластеров). Модификация гамильтониана при учете квантово-механического эффекта туннелирования сегнетоактивных частиц (случай водородсодержащих сегнетоэлектриков). Сопоставление с феноменологической теорией: физический смысл коэффициентов разложения термодинамического потенциала в теории Ландау. Модельная теория сегнетоэлектриков типа КР2РО4. Динамическая восприимчивость сегнетоэлектрического кристалла. Кинетическое уравнение для параметра порядка близи Тк. Время релаксации параметра порядка. Дисперсия диэлектрической проницаемости. Микроскопический подход к описанию динамики параметра порядка. Связь нормальных колебаний решетки с диэлектрической проницаемостью. Соотношение Лиддана-Сакса-Теллера.
IV. З а к л ю ч е н и е
Кристаллохимические аспекты сегнетоэлектрических явлений. Проблема состав-структура-свойство в сегнетоэлектричестве. Применение сегнетоэлектриков.
профессор Кротов С.С
7 семестр, 36 часов
Кристаллические структуры. Основные простейшие типы кристаллических структур. Гранецентрированная кубическая (ГЦК). Объемноцентрированная кубическая (ОЦК). Гексагональная плотноупакованная (ГПУ). Структура алмаза. Структура цинковой обманки и вюрцита. Прямые и обратные решетки. Координационные сферы и числа. Рассеяние электромагнитных волн на кристаллах. Определение кристаллических структур методом дифракции рентгеновских лучей. Формулировка Брегга (Брэгга-Вульфа) условия дифракции. Формулировка Лауэ условия дифракции. Эквивалентность формулировок Брэгга и Лауэ. Ячейка Вигнера-Зейтца в обратной решетке. Зоны Бриллюэна. Геометрический структурный фактор. Атомный форм-фактор. Фактор Дебая-Уоллера. Динамика кристаллической системы. Общее динамическое описание кристаллических систем. Адиабатическое приближение. Задача о колебаниях атомов в кристалле в общем виде. Гармоническое приближение. Динамическая матрица и ее свойства. Уравнения движения для нормальных мод кристалла. Квантование колебаний в кристалле. "Фононный газ "(газ квазичастиц) в кристалле. Взаимодействие фононов, выход за рамки гармонического приближения и установление равновесия. Статистика Бозе-Эйнштейна. Бозе-конденсация. Общая теория теплоемкости кристалла с произвольным законом дисперсии фононов. Полуфеноменологические модели Эйнштейна и Дебая как частные случаи общего рассмотрения применительно к реальным системам. Динамика электронов. Одночастичное приближение для описания движения электронов в кристаллах. Симметрия гамильтониана, представления группы трансляций кристалла, теорема Блоха. Граничные условия Борна-Кармана. Квазиимпульс. Функция плотности состояний. Особенность Ван-Хова. Поверхность Ферми. Приближение слабой связи. Уравнение Щредингера для случая слабого потенциала. Поведение уровней вблизи брэгговских плоскостей. Закон дисперсии электрона в одномерном случае. Трехмерный случай. Энергетическая щель на границе зоны Бриллюэна. Метод сильной связи. Случай S - зоны, порожденной одним атомным S-уровнем. Функции Ванье. Другие приближенные методы расчета реальной зонной структуры: метод ячеек, метод присоединенных плоских волн, метод псевдопотенциала. Определение поверхности Ферми. Эффект де Гааза -ван Альфена. Гальваномагнитные эффекты. Блоховские электроны в постоянном магнитном поле. Происхождение осцилляций. Спин электрона и осцилляции. Механизмы рассеяния электронов. Электрон-фононное взаимодействие. Закон Видемана-Франца. Роль процессов переброса в электросопротивлении. Увлечение фононов. Статистика Ферми-Дирака. Теория электронного газа. Обменная и корреляционная энергия. Приближение Хартри-Фока. Экранировка. Теория Томаса- Ферми и Линдхарда. Плазмоны. Теория Ферми-жидкости. Поляронная модель металла. Квазичастицы в физике твердого тела. Магнитная симметрия в твердом теле. Пространственно-временные преобразования в физике твердого тела. Операция обращения времени и квантовая механика. Обращение времени и магнитное упорядочение. Точечные и пространственные группы магнитной симметрии. Теория копредставлений. Теорема Ниггли-Инденбома. Магнитная симметрия и макроскопические свойства кристаллов - магнитоэлектрический эффект, пьезомагнетизм, слабый ферромагнетизм в антиферромагнетиках. Тороидный магнетизм.
Часть 1. Слабомагнитные вещества
профессор В.В.Суриков
7 семестр, 36 часов
Введение. Основные характеристики магнитного состояния вещества. Намагниченность. Восприимчивость. Магнитная проницаемость. Размагничивающий фактор. Основные термодинамические соотношения. Теорема Бора-Ван-Левен (Ван-Левен-Терлецкого). Магнитные моменты многоэлектронных атомов. Атом в магнитном поле. Нормальный и аномальный эффект Зеемана. Эффект Пашена-Бака. Максимальные проекции полных магнитных моментов электронных оболочек атомов. Виды магнитного упорядочения в твердых телах. Диамагнетизм атомов, ионов, молекул. Частота ларморовой прецессии. Классический прецессионный диамагнетизм и квантовый поляризационный. Диамагнетизм неметаллических кристаллов. Диамагнетизм электронов проводимости. Уровни Ландау. Осцилляции магнитной восприимчивости. "Сверхдиамагнетизм" сверхпроводников. Классическая теория парамагнетизма. Пространственное квантование и обобщенная функция Ланжевена. Основные опытные данные о парамагнетизме систем слабовзаимодействующих атомов и ионов. Особенности парамагнетизма d-переходных групп. Парамагнитная точка Кюри. Парамагнетизм молекул. Обобщенная формула Ланжевена-Дебая. Парамагнетизм неметаллических соединений. Влияние на магнитные ионы внутрикристаллического окружения (поле лигандов). Гамильтониан магнитного иона в кристалле. Парамагнетизм металлов. Основные свойства идеального ферми- газа. Паулевской парамагнетизм электронов проводимости. Ванфлековский парамагнетизм. Парамагнитная восприимчивость переходных металлов.
Часть II. обменные взаимодействия в
магнито-упорядоченных веществах
профессор П.Н.Стеценко
8 семестр, 32 часа
Приближение молекулярного поля в описании ферромагнетиков. Локализованные системы (модель Вейсса). Делокализованные системы (модель Стонера). Приближение молекулярного поля в описании фазовых переходов ферромагнетизм-парамагнетизм. Учет ближнего порядка. Модель Изинга. Метод Бете-Пайерлса-Вейсса. Теория обменного взаимодействия. Определение обменного интеграла. Обменные взаимодействия в двухэлектронных системах. Приближения молекулярных орбиталей и Гайтлера-Лондона. Обменные взаимодействия в твердых телах. Прямое обменное взаимодействие в системах с локализованными электронами (модель Гейзенберга). Прямое обменное взаимодействие между делокализованными электронами: а) приближение квазисвободных электронов, б) приближение сильной связи. Обменные взаимодействия в переходных металлах. Косвенные обменные взаимодействия в магнитоупорядоченных материалах. Косвенные обменные взаимодействия в ферромагнитных и антиферромагнитных диэлектриках. Модель Андерсона-Крамерса. Косвенные обменные взаимодействия в металлах. Модель Зинера. Модель Оверхаузера. Приближение РККИ (Рудермана-Киттеля-Касуйя-Иосиды). Обменное взаимодействие в аморфных магнито-упорядоченных материалах. Методы описания атомной структуры аморфных сплавов и основные модели их структуры. Обменные взаимодействия в аморфных магнетиках с локализованными электронами. Модель Гейзенберга с учетом флуктуирующих обменных параметров. Обменные ваимодействия в аморфных магнетиках с делокализованными электронами. Особенности зонной структуры аморфных магнитных сплавов. Сверхтонкие взаимодействия в магнитно-упорядоченных веществах. Гамильтонитан сверхтонкого эффективного магнитного поля на ядрах. Вклады в магнитное поле на ядрах, обусловленные различными электронными состояниями. Фермиевские контактные взаимодействия. Связь сверхтонкого магнитного поля на ядрах с локальными магнитными моментами ионов и спиновой плотностью делокализованных электронов. Эффекты локального атомного окружения.
Часть III. Магнитная анизотропия.
Магнитострикция. Доменные структуры. Процессы
намагничивания
профессор С.А.Никитин
9 семестр, 36 часов
Энергия магнитной кристаллической анизотропии (МКА). Феноменологическое выражение для энергии МКА. Экспериментальное определение констант МКА и их зависимость от температуры и состава. Природа МКА. Анизотропный обмен. Спин-орбитальное взаимодействие как источник МКА. Связь анизотропии с электронной структурой 3d- и 4d- ионов. Наведенная (ориентационная) и обменная анизотропия. Спонтанная магнитострикция. Связь магнитострикции с электронной структурой 3d- и 4d- ионов. Индуцированная магнитным полем магнитострикция. Теория магнитострикции Акулова. Магнитострикция в области смещения и вращения. Упругие напряжения и магнитострикция. Магнитострикция парапроцесса и ее связь с производными обменного интеграла по межатомным расстояниям. Зависимость магнитострикции парапроцесса от намагниченности и магнитного поля в области точки Кюри, согласно теории Белова. Влияние магнитного упорядочения на упругие свойства ферро- и антиферромагнетиков. Упругие модули ферромагнетиков. DЕ-эффект. Влияние всестороннего сжатия на намагниченность и температуру магнитного упорядочения. Обменная энергия и ее изменение при неоднородном распределении намагниченности. Методы определения обменных параметров. Энергия размагничивающего поля. Магнитостатическая энергия доменной структуры. Переходный слой между ферромагнитными областями. Оценка толщины и энергии граничного слоя. Размеры доменов и энергия, связанная с образованием доменной структуры в одноосном кристалле при отсутствии замыкающих доменов. Размеры доменов и энергия доменной структуры в одноосном кристалле с замкнутым магнитным потоком. Доменная структура в кубических кристаллах. Методы наблюдения доменной структуры. Исследование магнитных структур современных магнитных материалов с помощью электронно-микроскопических методов. Однодоменные частицы. Исчезновение ферромагнетизма при сильном уменьшении размеров образца. Супермагнетизм. Основные процессы намагничивания. Начальная восприимчивость при процессах вращения. Обратимые и необратимые процессы смещения границ доменов. Задержка смещения границ доменов вследствие задержки роста зародышей ферромагнитной фазы Начальная восприимчивость и коэрцитивная сила по теории напряжений и теории включений. Процессы вращения вектора намагниченности по теории Акулова. Основные механизмы магнитного гистерезиса. Когерентные и некогерентные процессы намагничивания в системе малых магнитных частиц. Микроструктура и магнитные свойства систем из наноразмерных магнитных частиц. Магнитомягкие материалы. Кристаллические и аморфные сплавы на основе железа. Сплавы типа пермалоя. Нанокристаллические магнитомягкие материалы. Магнитожесткие материалы. Коэрцитивная сила и максимальная магнитная энергия для сплавов на основе железа, кобальта и редкоземельных металлов. Микромагнетизм и микроструктура современных магнитных материалов.
Часть IY. Динамические свойства магнетиков
внс И.Б.Крынецкий
10 семестр, 32 часа
Введение. Понятие о магнитном резонансе. Магнитный (электронный) резонанс в веществах, не обладающих атомным магнитным порядком. Циклотронный резонанс. Электронный магнитный резонанс. Теорема Крамерса, эффект Яна-Теллера. Особенности спектров ионов группы железа и редкоземельных ионов. Магнитоакустический парамагнитный резонанс. Магнито-упорядоченные вещества в переменных магнитных полях. Ферромагнитный резонанс (ФМР). Уравнения Ландау-Лифшица. Тензор магнитной восприимчивости. Влияние доменной структуры, формы образца и магнитной анизотропии на спектр ФМР. Ферримагнитный резонанс. Нелинейные явления и процессы релаксации. Ширина резонансной линии. Антиферромагнитный резонанс (АФМР). Уравнения движения намагниченностей подрешеток. Частоты АФМР для одноосных и легкоплоскостных антиферромагнетиков. Спиновые волны в ферро- и антиферромагнетиках. Экспериментальная проверка теории спиновых волн. Термодинамические свойства антиферромагнетиков. Магнитооптические явления: эффекты Фарадея, Коттона-Мутона и Керра. Неупругое рассеяние света в магнитоупорядоченных кристаллах.
ведущий научный сотрудник., д.ф.-м.н А.М. Тишин
8 семестр, 36 часов
Введение. Типы наноразмерных магнитных структур. Молекулы, кластеры, наночастицы, поверхности, ультратонкие пленки, мультислои. Классификация. Основные параметры и свойства. Технологические методы получения наноструктур. Синтез монокристаллических наноструктур. Морфология ультратонких пленок. Методы изготовления кластеров. Методы депозиции пленок Ленгмюр-Блоджетт. Методы экспериментального исследования наноструктур. Сканирующие зондовые микроскопы: АСМ и МСМ, СТМ, ССМ и др. Взаимодействие зонда с исследуемым объектом. Электронные микроскопы (СЭМ и ТЭМ). Электронный парамагнитный резонанс. Эффект Мессбауэра. Исследования в сверхвысоком вакууме. Рентгеновские и нейтронные методы. Новые методы исследования. Валентность наноструктур. Необычные валентные формы. Высшие состояния окисления 3d- и 4f- металлов. Валентность и размер кластера. Валентность моно- и мультислоев на ориентированных кристаллах. Валентность на поверхности. Обменные взаимодействия. Механизмы межслойного взаимодействия. Обменное взаимодействие через металлические и неметаллические среды. Магнитный свойства ультратонких пленок. Величина магнитного момента. Основные типы магнитного упорядочения. Кроссовер ориентации магнитного момента. Доменные структуры. Влияние характерных пространственных размеров. Магнитная анизотропия. Роль анизотропии поверхности. Фазовые диаграммы. Взаимосвязь морфологии и магнитного поведения. Магнитные свойства эпитаксиальных редкоземельных монокристаллов и мультислоев. Зависимость температуры Кюри от толщины. Межслойный обмен и дальний порядок. Мультислои интерметаллических редкоземельных соединений. Структура слоев. Зависимость магнитных свойств от толщины слоев. Ориентация вектора намагниченности. Роль перпендикулярной магнитной анизотропии и анизотропии на границе раздела. Пленки Ленгмюр - Блоджетт с встроенными ионами переходных металлов. Взаимосвязь структуры и магнитных свойств. Поверхность магнетиков. Термодинамика поверхности. Фазовые переходы и критические явления на поверхности. Зависимость величины критических экспонент от толщины. Магнитное упорядочение, магнитный момент и точка Кюри на поверхности. Молекулярный магнетизм. Органические ферромагнетики. Фуллерены. Самоорганизация наноструктур. Нанопроволоки и наноцепи. Магнетизм наночастиц, кластеров и молекул. Основы теории. Структурные и электронные свойства наночастиц. Кластеры переходных металлов в органических и других матрицах. Магнитные жидкости. Магнитокалорический эффект в наноструктурных материалах. Новые наноразмерные магнитные материалы. Перспективы технического применения. Магнитные и магнито-оптические диски. Коэрцитивная сила и плотность записи. Системы с продольными и перпендикулярными доменами. Магнитные сенсоры и головки. Молекулярные системы записи информации. Поглощающие покрытия. Магнитоэлектронные устройства. Применения в медицине.
доцент С.Д.Антипов
8 семестр, 32 часа
Методы исследования макроскопических характеристик магнетиков. Методы исследования средних величин магнитных моментов на атом. Методы измерения магнитной анизотропии, магнитострикции. Методы исследования магнитных фазовых переходов: первого рода, второго рода, метамагнитного перехода, спин-ориентационного перехода. Методы исследования микроскопических характеристик магнетиков. Роль ядерных методов в исследованиях электронной структуры магнитных материалов. Информативность и достоинства ядерных методов. Мультипольные моменты квантовомеханических систем: электронов, ядер, атомов. Магнитные мультиполи и поведение частиц со спином в магнитном поле. Определение магнитных моментов ядер. Магнитная нейтронография. Источники медленных нейтронов: реакторы со стационарным потоком, импульсные реакторы. Методы исследования рассеяния медленных нейтронов на монокристаллах и поликристаллах. Рассеяние медленных нейтронов кристаллами. Ядерное и магнитное рассеяние. Когерентное и некогерентное рассеяние. Структурный фактор. Фактор Дебая-Валлера. Методы отделения магнитного рассеяния от ядерного. Поляризованные тепловые нейтроны. Основные законы магнитного взаимодействия медленных нейтронов с веществом. Вектор магнитного взаимодействия медленных нейтронов с веществом. Законы нейтронной оптики. Методы получения поляризованных монохроматических тепловых нейтронов и их использование при определении магнитной структуры. Структурный фактор магнитных отражений. Определение ориентации и величины магнитного момента атома. Магнитный форм-фактор и спиновая плотность в атоме. Распределение спиновой плотности в железе, никеле, кобальте. Ядерный магнитный резонанс (ЯМР). Ядерные сверхтонкие взаимодействия. Магнитные взаимодействия ядер с электронами. Сверхтонкое магнитное поле на ядре. Классическая и квантовая теория движения свободных магнитных моментов в магнитном поле. Ларморова частота и ее смысл в квантовой теории. Спин-спиновое и спин-решеточное взаимодействия. Уравнения Блоха. Динамическая магнитная восприимчивость. Решения уравнения Блоха в случае медленного прохождения. Ядерное спиновое эхо. Найквистовский сдвиг. Особенности ЯМР в магнитоупорядоченных кристаллах. Эффект радиочастотного усиления сигнала ЯМР в исследованиях редкоземельных металлов и сплавов. Ядерный гамма-резонанс (эффект Мессбауэра). Релятивистский сдвиг мессбауэровской линии. Ядерный эффект Зеемана. Спектры ядерного гамма-резонанса: их магнитная структура, квадрупольное расщепление, изомерный сдвиг линий. Определение величин сверхтонких магнитных полей на ядрах. Определение локальных магнитных моментов атомов. Магнитные релаксационные эффекты в ЯГР спектрах. Эффект Мессбауэра на поляризованных гамма-квантах. Выяснение деталей магнитной структуры. ЯГР в исследованиях металлов, сплавов, соединений.
Старший научный сотрудник, д.ф.-м.н. З. А. Казей
8 семестр, 32 часа
Свободные 3d- и 4f ионы. Кулоновское взаимодействие, спин-орбитальное взаимодействие, сверхтонкое взаимодействие, ядерное квадрупольное взаимодействие, релятивистские эффекты. Зеемановское взаимодействие, фактор Ланде. Основное состояние и правила Хунда для 3d- и 4f ионов. Иерархия взаимодействий для магнитных 3d- и 4f ионов в кристаллах. Приближение сильного кристаллического поля и замораживание орбитального момента для 3d ионов. Приближение слабого кристаллического поля для 4f ионов. Основное состояние и правила Хунда для 3d- и 4f ионов в кристаллах. Магнитоупругое взаимодействие, обменное взаимодействие, диполь-дипольное взаимодействие. Электронная конфигурация (спектр и волновые функции) 3d магнитных ионов в кристаллическом поле различной симметрии. Гамильтонианы кристаллического поля кубической, тетрагональной, ромбоэдрической симметрии. 3d ионы в кубическом кристаллическом поле и модификация электронной конфигурации 3d ионов при понижении симметрии до тетрагональной и ромбоэдрической. Электронная конфигурация (спектр и волновые функции) 4f магнитных ионов в кристаллическом поле различной симметрии. Метод эквивалентных операторов для основного мультиплета и метод тензорных операторов для учета примешивания возбужденных мультиплетов. Операторы Стевенса и параметры Стевенса. Гамильтонианы кристаллического поля кубической, тетрагональной, ромбической и моноклинной симметрии; параметры кристаллического поля. Метод псевдоспинового формализма. Экспериментальные методы определения кристаллического поля: неупругое рассеяние нейтронов и исследование оптических переходов. Теоретические модели кристаллического поля: модель точечных зарядов, суперпозиционнная модель, модель обменных зарядов. Симметрийное и случайное вырождение в спектре 4f магнитного иона в кристаллическом поле. Модификация электронной конфигурации 4f ионов при понижении симметрии до тетрагональной и ромбической. Снятие вырождения при понижении симметрии кристаллического поля. Эффект Яна-Теллера для 3d и 4f ионов в различных кристаллических структурах. Полный гамильтониан 4f парамагнетика и различные подходы к определению собственных значений и собственных векторов гамильтониана взаимодействия. Приближение теории возмущения и обобщенные начальные восприимчивости (магнитная, деформационная, квадрупольно -полевая). Численные методы диагонализации и определения электронной конфигурации. Свободная энергия (потенциал Гиббса) и статсумма и расчеты различных термодинамических свойств 3d- и 4f парамагнетиков. Магнитная восприимчивость. Формула Ван-Флека. Магнитная восприимчивость кубического кристалла. Анизотропия магнитной восприимчивости при высоких и низких температурах для тетрагонального кристалла. Эффект Зеемана, фактор спектроскопического расщепления. Намагниченность. Магнитокристаллическая анизотропия. Пересечение уровней (кроссовер) для различных 4f ионов в кубическом, тетрагональном и ромбическом кристаллах и аномалии намагниченности при кроссовере. Магнитная теплоемкость (аномалии Шоттки) и теплоемкость решетки (модель Дебая). Магнитная энергия и магнитная энтропия. Магнитокалорический эффект. Адиабатическое размагничивание парамагнетика и получение сверхнизких температур. Квадрупольное упорядочение в 3d- и 4f магнетиках кубической и тетрагональной симметрии. Описание квадрупольного упорядочения и определение параметров квадрупольного взаимодействия. Квадрупольные моменты 4f ионов. Спонтанные и индуцированные квадрупольные эффекты в 4f парамагнетиках. Магнитострикция. Магнитоупругие аномалии теплового расширения и упругих констант. Электронный парамагнитный резонанс. Спин-гамильтониан и параметры кристаллического поля. Спин-спиновые взаимодействия. Дипольные взаимодействия. Квадрупольные взаимодействия. Обменное взаимодействие. Сверхтонкая структура и влияние поля на сверхтонкую структуру. Ядерная теплоемкость.
доцент С.Н.Горшков
8 семестр, 36 часа
Критические явления в магнетиках и их описание. Критические индексы. Неравенства, связывающие критические индексы. Классические теории критических явлений. Метод молекулярного поля в теории магнетизма. Феноменологическая теория Ландау. Гипотеза подобия, ее следствия для соотношений между критическими индексами. Гамильтониан Гинзбурга-Ландау в теории критических явлений. Гауссова модель. Основная идея метода ренормализационной группы. Ренормализационная группа. Неподвижные точки преобразования ренормгруппы. Связь свойств оператора ренормгруппы вблизи неподвижной точки с критическими индексами. Гауссова неподвижная точка и критические индексы в пространстве размерности d>4. Неподвижные точки в пространстве размерности d=4-e. e-разложение. Критические индексы в первом порядке e-разложения. Применение ренормгруппы к исследованию конкретных моделей. Рекурсивная формула Вильсона. Влияние дальнодействующих взаимодействий и магнитной анизотропии на критические явления, кроссовер.
профессор К.П. Белов
9 семестр, 36 часов
Введение. Термины: "истинное" намагничивание и парапроцесс. Исследования Вейсса, Капицы, Акулова. Измерения в никеле, тербии при низких температурах, "адиабатической" восприимчивости парапроцесса в импульсных сверхсильных полях (Пономарев). Парапроцесс в ферромагнетиках в точке Кюри. Описание парапроцесса с помощью термодинамики Ландау и метода молекулярного поля (функции Вейсса или функции Бриллюэна с учетом пространственного квантования магнитного момента). Метод графиков Белова-Аррота для определения точки Кюри и спонтанной намагниченности. Кривые намагничивания и магнитной восприимчивости в самой точке Кюри. Определения критических индексов a, b, g в точке Кюри. Работы Камилова по экспериментальному исследованию критического состояния в точке Кюри. Влияние ближнего магнитного порядка на превращение в точке Кюри по Вонсовскому. Влияние структурных неоднородностей на переход в точке Кюри никеля и его сплавов. "Хвосты" самопроизвольной намагниченности. "Неоднородный" ферромагнетизм по Силину. О влиянии поля Н на переход в ТС. Описание магнитоупругих эффектов в ферромагнетиках с помощью термодинамики Ландау. Взаимосвязь магнитных и магнитоупругих эффектов в ферромагнетиках в точке Кюри по Эренфесту. Сплавы с аномально большим парапроцессом при всех температурах и сопутствующая ему большая объемная (обменная) магнитострикция (сплавы типа инвара). Объяснение малого коэффициента теплового расширения инварных сплавов. Различные точки зрения на природу инварных сплавов ("проблема инвара"). Свойства элинварных сплавов. Анизотропия парапроцесса в гадолинии (и гексаферритах). Редкоземельные инвары. Парапроцесс в ферримагнетиках. Три типа ферримагнетиков. В ферримагнетиках со "слабой" подрешеткой сильный парапроцесс существует в интервале температур 0 К - ТС. Точка ТВ "слабой" подрешетки. Объяснение аномалий в ней максимумов эффектов парапроцесса по методу молекулярного поля (Белов, Никитин). Объяснение аномалий коэрцитивной силы, остаточной намагниченности и восприимчивости в точке ТВ. Проявление пиромагнитного и пьезомагнитного эффектов и термодинамически обратных им эффектов: линейной намагниченности магнитокалорического эффекта и магнитострикции в интервале температур ТВ - Qк (Qк - точка магнитной компенсации). Явления в области точки магнитной компенсации. Эффекты антиферромагнитного парапроцесса. Скачок в точке Qк магнитокалорического эффекта. Явление возрастания псевдокоэрцитивной силы в области Qк . О неприемлемости применения сверхсильных магнитных полей для изучения явлений в ферримагнетиках со "слабой" подрешеткой (это поле "уничтожает" точки ТВ и Qк ). Объяснение явлений аномального возрастания коэрцитивной силы и магнитной вязкости в "предверии" к точке Кюри. О новом механизме "самообращения" намагниченности в ферритах и горных породах. Физическая причина возникновения гиперболической зависимости обратной парамагнитной восприимчивости от температуры в ферритах выше точки Кюри (закон Нееля). Заключение. Об уникальности ферромагнитных инварных сплавов и ферримагнетиков со "слабой" подрешеткой. В них проявляется большое число разнообразных эффектов парапроцесса при всех температурах.
профессор Р.З.Левитин
9 семестр, 36 часов
Антиферромагнетики. Основные опытные данные. Антиферромагнитное упорядочение в приближении магнитного поля. Магнитная восприимчивость в парамагнитном и антиферромагнитном состояниях. Критерии возникновения различных антиферромагнитных структур. Антиферромагнетики в сильных полях. Специальные классы антиферромагнитных структур. Метамагнетизм. Геликоидальные магнитные структуры. Одномерные и двухмерные антиферромагнетики. Модель Изинга. Слабый ферромагнетизм. Магнитная симметрия. Теория фазовых переходов второго рода Ландау. Симметрийный подход к проблеме слабого ферромагнетизма (на примере ромбоэдрических антиферромагнетиков). Термодинамическая теория слабого ферромагнетизма. Слабые ферромагнетики в поле. Природа слабого ферромагнитного взаимодействия. Домены в антиферромагнетиках. Магнитоупругие свойства антиферромагнетиков. Линейная и квадратичная магнитострикция. Пьезомагнетизм. Аномалии модулей упругости. Магнитоэлектрический эффект. Ферримагнетизм. Теория ферримагнетизма Нееля. Восприимчивость ферримагнетиков в парамагнитной области. Различные типы температурных зависимостей намагниченности ферримагнетиков. Модель Яфета-Киттеля. Ферримагнетики в сильных полях. Индуцированные полем неколлинеарные магнитные структуры. Фазовые переходы типа спиновой переориентации. Понятие спиновой переориентации. Спиновая переориентация с точки зрения фазовых переходов Ландау. Спин-переориентационная фазовая диаграмма одноосного магнетика в нулевом поле. Спиновая переориентация в одноосном ферромагнетике во внешнем поле. Переходы спиновой переориентация в кубическом магнетике в нулевом поле. Доменная структура при спин-переориентационных переходах. Аномалии физических свойств при спин-переориентационных переходах. Неупорядоченные магнитные системы. Особенности магнитного упорядочения в аморфных магнетиках. Спиновые стекла. Миктомагнетизм. Сперо-, спери- и асперомагнетизм. Фрустрации.
профессор А.К.Звездин
9 семестр, 36 часов
Введение. Ультратонкие пленки и многослойные структуры. Типы структур, геометрия, материалы. Основные взаимодействия, параметры и характеристики. Феноменологическое описание равновесных свойств. Гамильтониан и термодинамический потенциал (энергия). Энергия однородного и неоднородного обмена. Энергия магнитной анизотропии, объемный и поверхностный вклады. Магнитостатическая энергия. Магнитоупругая энергия и напряжения в пленках. Динамические уравнения Ландау-Лифшица и основные динамические параметры. Технология выращивания ультратонких и многослойных пленок. Классификация структур. Основные технологические параметры и методы исследования структур. Структуры с антиферромагнитным обменом между слоями. Осциллирующее обменное взаимодействие. Биквадратный обмен. Квантовые размерные эффекты. Процессы намагничивания и фазовые диаграммы ферримагнитных структур. Гальваномагнитные свойства. Гигантский магниторезистивный эффект. Зависящее от спина рассеяние электронов. Спин-вальв эффект. Оптические и магнитооптические свойства. Плазменный резонанс. Теория оптических свойств многослойных структур. Модель эффективной среды. Синхротронное излучение и исследование ультратонких и многослойных пленок. МОКЕ, рентгеновский магнитный дихроизм, EXAFS, XANES и т.д. Домены и пространственные структуры. Методы измерения и визуализации пространственных спиновых структур. Магнитный силовой микроскоп, спин-поляризованная электронная микроскопия, микроскопия ближнего поля, электронная голография. Методы математического моделирования в физике магнитных наноструктур. Модель поликристаллической пленки. Модель зерна. Результаты моделирования и эксперимент. Макроскопическое квантовое туннелирование намагниченности (МКТН) в малых частицах и кластерах, ультратонких пленках и сверхрешетках (теория и эксперимент). Квантовое туннелирование и когерентность. Роль термостимулированных процессов и диссипации. Магнитная вязкость и магнитная релаксация в наноструктурах. Функционал Фейнмана-Леггетта. Квантовое действие, константа Гамова, температурный кроссовер. МКТН в ферромагнетиках и антиферромагнетиках. Сильноанизотропные магнетики. МКТН в высокоспиновых органических молекулярных кластерах (ферритин, Mn Ac). Применение магнитных многослойных пленок и наноструктур. Сверхплотная магнитная память, сенсоры. Идеи магнитного транзистора и квантового спинового компьютера.
профессор Белов К.П., профессор Королева Л.В
9 семестр, 36 часов
Часть 1. Магнитохалькогенидные полупроводники и манганиты
Магнитные полупроводники: монохалькогениды европия, халькогенидные шпинели - магнитные свойства. Применение модели s-d-обмена к магнитным полупроводникам. Гигантский красный сдвиг края оптического поглощения и его связь с магнитным порядком. Понятие о ферронах. Свободные, примесные, индивидуальные и коллективные ферроны. Два вида неоднородных магнитных состояний в антиферромагнитных вырожденных полупроводниках. Электрические свойства ферромагнитных полупроводников с электронным и дырочным типами проводимости. Гигантский максимум электросопротивления в районе точки Кюри и гигантские отрицательное и положительное магнитосопротивления в районе температуры Кюри в ферромагнитных полупроводниках n-типа. S-d-обмен и аномалии температурной зависимости электро- и магнитосопротивления. Экспериментальные доказательства магнитно-двухфазного состояния в вырожденном EuSe. Переход металл-полупроводник в сильно легированных ферромагнитных полупроводниках и его объяснение образованием коллективных ферронов при температуре перехода. Аномалии фотоэлектрического эффекта в слабо легированной галлием кадмий-хромовой халькошпинели. Гигантские отрицательное и положительное фотомагнитосопротивления в области точки Кюри. Фотомагнитный эффект. Повышение парамагнитной точки Кюри с увеличением уровня легирования в магнитных полупроводниках. Объяснение указанных явлений с помощью примесных ферронов. Гигантский сдвиг края оптического поглощения в ферромагнитных полупроводниках CdCr2S4 и CuCr2S4-хSeх, связанный с ферромагнитным порядком. Его объяснение с помощью межзонного s-d обмена. Антиферронные состояния носителей тока в ферромагнитных полупроводниках с "синим сдвигом" ширины запрещенной зоны. Объяснение аномалий магнитных свойств CdCr2S4 и CuCr2S4-хSeх с помощью антиферронов. Афмонные состояния носителей тока в антиферромагнитных полупроводниках с высокими температурами Нееля. Экспериментальные свидетельства их существования в антиферромагнитных халькошпинелях. Кристаллографические свойства манганитов. Антиферромагнитная структура соединений LaMnO3, CaMbO3 и SrMnO3. Магнитно-двухфазные ферро- и антиферромагнитные состояния в La1-xAxMnO3 (Az, Ca,Sr ), его экспериментальные доказательтства. Колоссальное магнитосопротивление при комнатной температуре в системе La1-xAxMnO3 Зависимость кристаллической структуры от магнитного поля в La0,83Sr0,17MnO3 Особенности теплового расширения и объемной магнитострикции в районе точки Кюри в La1-xAxMnO3. Описание состояния "спиновое стекло". Фрустрация связей. Магнитные свойства и данные нейтронной диффракции, при наличии которых материал считают спиновым стеклом. Суперпарамагнетизм. Основные неразрешенные проблемы спинстеклообразного состояния. Состояние спинового стекла в разбавленных изоляторах с конкурирующими обменными взаимодействиями между первыми и следующими за ближайшими соседями. Магнитоконцентрированные спиновые стекла со знакопеременными обменными взаимодействиями в полупроводниковых халькошпинелидах. Экспериментальные доказательства существования фазового перехода спиновое стекло-парамагнетик в этих спиновых стеклах. Участие ферронов в создании спинстеклообразного состояния в спиновых стеклах - халькошпинелидах. Возможные применения магнитных полупроводников.
Часть 2. Ферриты - аномальные магнитные полупроводники
Ферриты-шпинели, гексаферриты, ферриты-гранаты, монооксиды переходных элементов. Координационные многогранники: тетра-, окта и додекаэдры. Нормальная, обращенная и смешанная шпинели. Валентность магнитных катионов. Влияние кристаллического поля на магнитные моменты катионов. Ферриты со "слабой" подрешеткой. Низкотемпературный переход магнитный порядок-беспорядок (точки ТВ). Аномалии температурных зависимостей спонтанной намагниченности при низких температурах. Электропроводность ферритов. Донорные и акцепторные катионы. "Перескоковый механизм проводимости в ферритах. Аномально низкая подвижность носителей тока в ферритах. Методы определения концентрации и подвижности носителей тока в ферритах. Магнитосопротивление в ферритах: анизотропное и изотропное. Сопоставление полевых и температурных зависимостей магнитосопротивления ферромагнетика (Ni) и феррита марганца и др. Две компоненты изотропного отрицательного магнитосопротивления в ферритах. Локализация электронов проводимости под влиянием "антиферромагнитного" s-d обмена. Делокализационный механизм изотропного магнитосопротивления и аномалий магнитосопротивления в ферритах.
Объяснение низкой подвижности носителей тока в ферритах и антиферромагнитных монооксидах. Интерпретация гигантских значений низкочастотной диэлектрической проницаемости в ферритах-шпинелях. Магнитные аномалии в магнетите и других ферритах, обусловленные электронными процессами. Модель магнитоэлектронной подрешетки. Объяснение аномалии ("занижения") магнитного момента насыщения при 0 К в ферритах-шпинелях. Интерпретация аномалий спонтанной намагниченности, восприимчивости парапроцесса и магнитокалорического эффекта в магнетите в области низкотемпературного превращения (Т=120 К). Объяснение заниженных величин одноионной магнитострикции и магнитной анизотропии в магнетите. Новая концепция низкотемпературного превращения в магнетите (Тt = 120 К). Магнитная вязкость в ферритах, обусловленная электронной диффузией. СВЧ-потери, обусловленные электронной релаксацией. Фотоиндуцированные магнитные эффекты в феррите-гранате иттрия при введении в него донорных катионов.
профессор С.А. Никитин
10 семестр, 32 часа
Физико-химические свойства редкоземельных металлов (РЗМ) и их сплавов. Свойства ионов РЗМ. Электронная структура. Основное состояние. Магнитные моменты ионов редких земель. Энергетические уровни. Роль орбитального момента. Кристаллическая структура РЗМ иттриевой и цериевой подгрупп. Лантаноидное сжатие. Температурный и барический полиморфизм. Электронные фазовые переходы с изменением валентности. Магнитные структуры РЗМ по нейтронографическим данным. Магнитные свойства РЗМ и их сплавов. Косвенное обменное взаимодействие. Связь парамагнитных температур Кюри с обменными интегралами и параметрами магнитнокристаллического взаимодействия. Теория геликоидальных и спиральных структур. Зависимость периодов периодических структур от топологических особенностей поверхности Ферми. Экспериментальное исследование электронной структуры РЗМ с помощью метода аннигиляции позитронов. Теория магнитной анизотропии РЗМ. Экспериментальное исследование зависимости констант магнитной анизотропии от атомного номера, концентрации и температуры. Природа гигантской магнитострикции РЗМ. Ее зависимость от намагниченности и концентрации. Индуцированная полем и спонтанная магнитострикция. Связь магнитострикционных констант и зависимости обменных интегралов и констант магнитной анизотропии от межатомных расстояний. Магнитные фазовые переходы в РЗМ и их сплавах. Влияние фазовых переходов на энтропию, удельный объем, намагниченность. Трикритические точки. Магнитострикционная природа перехода геликоидальный антиферромагнетизм - ферромагнетизм. Электрические свойства РЗМ и их сплавов. Вклады в электросопротивление, обусловленные различными механизмами рассеяния. Зависимость магнонного вклада от спина. Анизотропия электросопротивления за счет анизотропии квадрупольного и обменного рассеяния. Магнитосопротивление. Магнитные структуры в кристаллических и аморфных РЗ интерметаллических соединениях. Спин-переориентационные переходы в ферромагнитных редкоземельных металлах, сплавах и соединениях. Ферро - и ферримагнетизм редкоземельных соединений. Соединения РЗМ с железом и кобальтом. Температура магнитной компенсации Тк и аномалии физических свойств вблизи Тк. Магнитная фазовая диаграмма в ферримагнитных редкоземельных сплавах. Эффективные обменные поля и их влияние на величину магнитострикции. Критерии возникновения гигантской магнитострикции. Магнитострикционные материалы с гигантской магнитострикцией на основе соединений со скомпенсированной магнитной анизотропией. Зонный магнетизм в интерметаллических соединениях РЗМ. Обменные взаимодействия и магнитные моменты. Теория зонного метамагнетизма. Метамагнитные переходы в соединениях РЗМ. Магнетизм силицидов и германидов, редких земель на основе композиций: РЗМ - 3d - переходной металл, - кремний (германий). Магнитные свойства гидридов и нитридов. Влияние водорода и азота на спин-переоринтационные переходы, магнитокристаллическую анизотропию и магнитострикцию. Введение элементов внедрения как метод управления магнитными характеристиками. Магнитокалорический эффект (МКЭ) в РЗ интерметаллических соединениях. МКЭ в области процессов вращения и парапроцесса. МКЭ при магнитных фазовых переходах. Особенности МКЭ в ферримагнетиках. Магнитные холодильные машины (МХМ). Рабочие тела для МХМ. Магнитное охлаждение для получения сверхнизких температур. Постоянные магниты на основе РЗМ (сплавы неодим-железо-бор и самарий-кобальт). Основные характеристики постоянных магнитов. Физические принципы, лежащие в основе технологии получения магнитожестких материалов. Нанокристаллические магнитожесткие РЗ сплавы. Редкоземельные материалы для термомагнитной и магнитооптической записи. Материалы с гигантским магнитосопротивлением и их использование в системах считывания информации.
Профессор А.С.Андреенко
10 семестр, 32 часа
Основные тенденции современного развития физики магнитных явлений и магнитных материалов. Основные классы магнитных материалов и их применение. Аморфные магнетики, методы их получения, структура. Обменные взаимодействия, случайная и наведенная магнитные анизотропии. Основные магнитные структуры: сперомагнетики, сперимагнетики, асперомагнетики, спиновое стекло. Основные теоретические модели, применяемые для описания магнитного состояния. Редкоземельные аморфные магнетики. Фазовые переходы. Конкурирующие обменные взаимодействия. Роль случайной магнитной анизотропии. Концентрационные зависимости основных магнитных параметров, инварные свойства. Особенности процессов намагничивания. Гидриды и нитриды редкоземельных сплавов и соединений. Влияние водорода и азота на обменные взаимодействия и магнитную анизотропию в аморфных сплавах и кристаллических соединениях. Нанокристаллические магнетики. Методы получения, особенности их магнитных свойств. Применение в технике. Фуллерены. Методы их получения. Внедрение магнитных атомов в структуры фуллеренов. Перспективы развития и применения фуллеренов. Нанотрубки. Методики получения. Основные физические свойства. Фракталы. Способы получения. Особенности их магнитных свойств.
старший научный сотрудник М.М.Лукина
8 семестр, 32 часа
Общие представления о теории роста и практике получения кристаллов. История. Современное состояние. Рост кристаллов как фазовый переход. Основные термодинамические понятия. Равновесие фаз. Правило фаз Гиббса. Однокомпонентные системы. Двухкомпонентные системы. Типы ТХ-диаграмм. Ход кристаллизации. Способы построения фазовых диаграмм. Трехкомпонентные системы. Методы построения и изучения. Механизм и кинетика кристаллизации. Образование кристаллических зародышей. Равновесие фаз с учетом поверхностной энергии. Основные представления о росте идеального кристалла. Атомная структура поверхности. Адсорбционный слой. Шероховатость ступени и поверхности. Роль "изломов" в процессе роста кристаллов. Нормальный и тангенциальный рост кристалла. Дислокационный механизм роста реального кристалла. Равновесная форма роста кристалла. Влияние примесей на процесс роста.
Современные методы получения магнитных и сегнетоэлектрических материалов. Выращивание из низкотемпературных растворов. Гидротермальный метод выращивания. Выращивание из растворов в расплавах. Кристаллизация из расплава. Методы Чохральского, Киропулоса, Стогбаргера. Получение тонких пленок методом лазерного распыления. Получение наноструктур.