Фізика наночастинок і наносистем

Лекційних годин: 34 години

Практичних занять: 0 годин

Самостійна робота: 36 годин

2 master course (3 term)
Course program: 

Предмет, об'єкт та мета курсу ,,Фізика наночастинок і наносистем”. Міждисциплінарний характер наукових досліджень: нанотехнології об'єднують дослідження у різних галузях: фундаментальна фізика, фізичне маетріалознавство, нано-оптика, електроника, біологія і медицина, хімія. Історія досліджень фізики наночастинок і наносистем: метало-оптика, особливості фотосинтезу у рослинах, розвиток напівпровідникової індустрії, сканувальна зондова мікроскопія: сканувальна тунельна мікроскопія, сканувальна атомна силова спектроскопія,  скандувальна мікроскопія ближнього поля, явище гігантського комбінаційного розсіяння світла і спектроскопія окремих молекул, електронний транспорт в наноструктурах, нано-оптика і нано-плазмоника.

Фізичні основи нано-оптики. Макроскопічна електродинаміка та особливості її застосування для дослідження процесів за участю наночастинок і наносистем.

Рівняння Максвелла. Кількість рівнянь і незалежних змінних. Визначення діелектричної проникності. Хвильові рівняння. Поперечні та повздовжні електромагнітні хвилі. Межові умови та закони заломлення світла.

Зникаючи поля. Задача про відбиття плоскої електромагнітної хвилі від плоскої поверхні. Коефіцієнти Френеля. Особливості відбиття світла: повне внутрішнє відбиття, перенос енергії. Представлення кутового спектру для електромагнітного поля. Розвинення поля по плоским та зникаючим хвилям. Особливості ближнього поля. Аналогія задачі Френеля з задачею про розсіяння світла на кулі (теорією Лоренца-Мі). Застосування полів, що зникають.

Тензор Гріна електромагнітного поля. Хвильові рівняння для скалярного та векторного потенціалів електромагнітного поля. Калібрування Лоренца. Скалярна функція Гріна --- розв'язок хвильового рівняння для скалярного потенціалу. Тензор Гріна --- розв'язок хвильового рівняння для вектора напруженості електричного поля. Тензор Гріна ближнього, середнього та далекого поля.

Розвинення поля по мультіполям.

Випромінювання світла та оптичні взаємодії за участю наночастинок. Спонтанне електромагнітне випромінювання у присутності наночастинок. Теоретичні підходи: класична електродинаміка, класична механіка, квантова електродинаміка.

Моделювання випромінювання електричного диполя в рамках класичної електродинаміки. Випромінювання електричного диполя в однорідному ізотропному середовищі. Обчислення густини енергії далекого і ближнього електричного поля. Обчислення потоку енергії випромінювання на нескінченній відстані. Розрахунок швидкості дисипації енергії електромагнітного поля.

Локальна густина станів електромагнітного поля. Визначення тензора Гріна для неоднорідного середовища. Вплив оточення електричного диполя на швидкості оптичних переходів.

Моделювання випромінювання електричного диполя в рамках квантової електродинаміки. Проблеми застосування та розвиток квантової теорії для моделювання випромінювання у присутності тіл, що поглинають випромінювання, та провідників струму. Флуктуаційно-дисипаційна теорема та її застосування. Слабкий та сильний зв'язок електричного диполя з електромагнітним полем.

Квантові джерела світла та їх застосування. Квантові джерела світла. Випромінювання окремих фотонів у трьох-рівневій системі. Молекули флуорофорів. Квантові точки. Рух електронів провідності і дірок в нанокристалах напівпровідників. Оптичні властивості квантових точок. Виготовлення та структура квантових точок. Застосування в квантовій оптиці, біології і медицині, фотоелементах (photovoltaic) та джерелах світла (LED). Нанодіаманти: виготовлення, будова нанокристалів з центрами азотних вакансій, структура електронних рівнів, застосування у якості джерела окремих фотонів, новітні застосування у спінового мікроскопа в магнітометрії та датчика декогерентності в біологічних та інших складних об'єктах.

Електромагнітні взаємодії між частинками.Електромагнітні взаємодії: Історія і сучасні дослідження, їх актуальність. Мультипольне розвинення потенціалу кулонівської взаємодії. Диполь-дипольні взаємодія. Передача енергії між частинками: Безвипромінювальна передача енергії Ферстера (Förster energy transfer) та флуоресцентна резонансна передача енергії (FRET -- fluorescence resonance energy transfer).

Переплутані стани наночастинок.

Тиск електромагнітного поля. Історія досліджень тиску електромагнітного поля і сучасні досягнення. Тензор напруг Максвелла. Тиск електромагнітного поля Обчислення тиску електромагнітного поля у дипольному наближенні. Оптичний пінцет. Сили ближнього поля.

Балістичний транспорт електронів в наноструктурах і атомних контактах. Вольт-амперні характеристики низкорозмірних структур. Формула Ландауера.

Одноелектронне тунелювання. Пристрої, що використовують одноелектронне тунелювання. Резонансне тунелювання. Пристрої, що використовують резонансне тунелювання. Властивості атомних контактів.

Наноплазмоніка. Наноплазмоніка -- новий напрямок науки та технології. Оптичні властивості і діелектрична проникність благородних металів. Поверхневі плазмон-поляритони на плоских поверхнях. Збудження поверхневих плазмон-поляритонів. Сенсори на основі поверхневих плазмон-поляритонів.

Поверхневі плазмон-поляритони в металевих наночастинках та наноструктурах. Плазмони в дротах та наночастинках. Плазмон-поляритони в складних структурах. Гігантське комбінаційне розсіяння світла. Використання властивостей поверхневих плазмон-поляритонів в сучасних нанотехнологіях.

Оптичні антени та їх застосування. Концепція оптичних антен та їх відмінності від радіоантен. Характеристики оптичних антен. Застосування оптичних антен. Антени для наномасштабної мікроскопії та спектроскопії: а) мікроскопія, що використовує розсіяння світла, б) спектроскопія основана на локальному підсиленні електромагнітного поля. Антени для вдосконалення фотоелементів. Антени для вдосконалення джерел світла. Антени для когерентного контролю.

Фотоні кристали  і метаматеріали. Будова фотонних кристалів. Фотонна заборонена зона. Дефекти в фотонних кристалах. Метаматеріали.

Методи створення і застосування наночастинок і наносистем різних типів. Класифікація і методи створення наночастинок і наноструктур різних типів. Механічні методи, фізико-хімічні і хімічні методи. Термодинамічні аспекти нуклеації і росту наночастинок. Вуглецеві кластери. Фулерити та вуглецеві нанотрубки. Кластери інертних газів і малих молекул. Колоїдні кластери і наноструктури. Білки та біологічні об'єкти.

Властивості металевих наночастинок. Структура металевих наночастинок. Коливання атомів в наночастинках. Електронні властивості та квантово-розмірні явища в металевих наночастинках. Оптичні та емісійні властивості.

 

Knowledge tests: 

Залік

Literature: