|
ФІЗИКА І ТЕХНІКА НИЗЬКИХ ТЕМПЕРАТУР
Загальні відомості про курс:
Курс лекций за програмою підготовки бакалаврів.
Всього лекцій: 34 години.
У курсі передбачаються також практично-демонстраційні заняття, де плануються демонстрації методів зрідження низькокиплячих газів (гелію) та особливості техніки використання низьких температур при проведенні експериментальних досліджень.
Викладач:
Професор, доктор фіз.-мат. наук, Пан В.М. (тел.: +380 44 4441031; +380 44 4503227; E-mail: pan@d09imp.kiev.ua)
Короткий зміст та мета курсу:
Розвиток багатьох важливих напрямків сучасної фізики, техніки й технології виявився неможливим без проникнення у світ низьких та наднизьких температур, а також у природу незвичайних явищ, які відбуваються при глибокому та надглибокому охолодженні. Завдяки тому, що тепловий рух атомів "вимерзає" й термічна енергія стає все меншою при зниженні температури, електронні й квантові властивості стають домінуючими у конденсованому стані. Саме це дає змогу спостерігати, вивчати й застосовувати унікальні макроскопічні квантові явища надпровідність і надплинність. Надпровідність як і кріоелектроніка, тобто електроніка з використанням низьких температур обіцяють стати галузями сучасної техніки й технології, що найбільш бурхливо розвиваються у третьому тисячолітті.
Запропонований курс лекцій включає короткий виклад основних проблем фізики конденсованого стану, фізики твердого тіла, квантової фізики, які є необхідними для розуміння низькотемпературних явищ. Він дає уяву про походження й природу квантових рідин, надплинності гелію, надпровідності металів та деяких інших низькотемпературних явищ у твердих тілах. Вивчається також техніка глибокого й надглибокого охолодження та проблеми використання низьких і наднизьких температур у сучасній техніці. Курс відповідає програмі підготовки бакалаврів на радіофізичному факультеті й включає лекційні та самостійні практичні заняття.
Курс розрахований на майбутніх спеціалістів, зайнятих у кріогенній та надпровідниковій мікроєлектроніці, а також у розробці й використанні телекомунікаційних технологій.
Зміст курсу:
1. Вступ (2 год). Предмет курсу. Низькі та наднизькі температури. Їх виняткове значення для фізики й техники. Деякі історичні кроки на шляху до абсолютного нуля. Винятковість гелію. Макроскопічно-квантові явища - надпровідність та надплинність. Унікальні надбання сучасної техніки із застосуванням надпровідності.
2. Надплинність (8 год). Квантова рідина. l-точка. HeI та HeII. Термомеханічний (фонтанний) та механокалоричні ефекти у НеІІ. Нульова ентропія надплинного гелію. Двохрідинна модель. Бозе-конденсація. Співвідношення невизначеностей. Квантовий осцилятор. Принцип нерозрізнюваності частинок. Симетричні й антисиметричні хвильові функції. Ферміони й бозони. Типи квантових статистик. Принцип Паулі. Квазічастинки як елементарні збудження. Фонони. Хвильова функція конденсату. Енергетичний спектр надплинного НеІІ. Розсіювання нейтронів у НеІІ. Другий звук. Ротони. Критичні явища. Вихори у НеІІ. Квантування циркуляції. Властивості та надплинність 2Не3. Інші квантові надплинні системи.
3. Надпровідність (8 год). Нульовий електроопір. Незатухаючий поверхневий струм. Ефект Мейсснера-Оксенфельда. Бозе-конденсація зарядженої Фермі-рідини. Електрон-фононна взаємодія. Куперівські пари. Енергетична щілина. Ізотопічний ефект. Тунельні явища. Квантування магнітного потоку. Термодинаміка надпровідників. Критична температура та критичне магнітне поле. Надпровідники І-го та ІІ-го роду та їх поведінка у магнітному полі. Глибина проникнення слабкого магнітного поля. Тонка плівка у магнітному полі. Критичний струм розпарювання. Енергія NS-межі. Довжина когерентності. Фаза Шубнікова. Друге критичне поле. Вихори Абрікосова. Пінінг вихорів. Заморожений потік та критичний стан. "Високотемпературні" надпровідники (ВТНП). Особливості електромагнітних властивостей ВТНП. Використання надпровідних пристроїв у енергетиці, електротехніці й електроніці.
4. "Слабка" надпровідність (4 год). Фазова когерентність та види слабких зв`язків. Стаціонарний ефект Джозефсона. Нестаціонарний ефект Джозефсона. Відгук джозефсонівського контакту на зовнішнє магнітне поле. Джозефсонівські вихори. Фраунгоферова структура магніто-польової залежності критичного струму контакту. СКВІД`и. Надпровідникова електроніка.
5. Високочастотні властивості надпровідників (2 год). Комплексна провідність надпровідника. Скін-ефект і поверхневий імпеданс. Поверхневий опір та його температурна залежність. Застосування надпровідників у радіотехніці та телекомунікації.
6. Низькотемпературні явища у твердих тілах (4 год). Тепломісткість твердих тіл при низьких температурах. Тепломісткість кристалічної гратки. Електронна тепломісткість. Низькотемпературний магнетизм. Парамагнетизм іонів. Антиферомагнетизм. Орієнтація ядерних спінів. Ефект Де-Гааза - ван-Альфена. Кінетичні явища при низьких температурах. Електропровідність. Ефект Шубнікова - Де-Гааза. Квантовий ефект Холла. Теплопровідність діелектриків і металів. Явище квантової дифузії.
7. Техніка глибокого та надглибокого охолодження (6 год). Зрідження низькокиплячих газів. Ефект Джоуля-Томсона. Ідеальний цикл зріджування газу. Цикл із звичайним дроселюванням. Цикл Лінде високого тиску. Цикл Клода-Капіци. Поршневі та турбо-детандери. Теплообмінники й регенератори. Мікрокріогенні охолоджувачі Стирлінга та Джиффорда-МакМагона. Вихореві трубки. Надглибоке охолодження методом адіабатичного розмагнічування парамагнітних солей та ядерних спінів. Охолодження при розчиненні сумішей Не3-Не4. Низькотемпературна термометрія. Кріостатні системи. Теплоізоляція. Суперізоляція. Транспортування та застосування рідкого гелію та інших низькокіплячих газів.
Передумови:
- Базовий курс квантової механіки;
- Базовий курс електродинаміки;
- Базовий курс фізики твердого тіла;
ЛАБОРАТОРНІ РОБОТИ:
1.Мендельсон К., - Физика низких температур, М., Изд-во иностр. лит-ры, 1963.
2.Скотт Р.Б., - Техника низких температур, М., Изд-во иностр. лит-ры, 1962.
3.Уайт Дж., - Физика и техника низких температур, М., Изд-во иностр. лит-ры, 1962.
4.Пан В.М., Прохоров В.Г., Шпигель А.С. Металлофизика сверхпроводников, К., Наук. Думка, 1984.
5.Тилли Д.Р., Тилли Дж., - Сверхтекучесть и сверхпроводимость, М., Мир, 1977.
6.Кресин В.З., - Сверхпроводимость и сверхтекучесть, М., Наука, 1978.
7.Шмидт В.В., - Введение в физику сверхпроводников, М., Наука, Физматгиз, 1982.
8.Мощалков В.В., - Высокотемпературная сверхпроводимость, М., Знание, 1987.
9.Высокотемпературные сверхпроводники, - Под ред. Нелсона Д., Уиттингхема М., Джорджа Т.М.М., М., Мир, 1988.
10.Побелл, Франк, Матеріали й методи при низьких температурах, Шпрингер-Ферлаг, Берлін, 1996, 371 с.
11.МакКлінток, П.В.Е., Мередіт, Д.Дж., - Матеріали при низьких температурах), Блекі, Лондон, 1984.
|