2. Физика конденсированных сред: кристаллы, полупроводники, графен, спектр. 12 Нобелевских премий.
Физика конденсированных сред — это наука о том, из чего состоит почти всё, что нас окружает: кристаллы в смартфонах и компьютерах, жидкости, металлы, полупроводники и даже вещество нейтронных звёзд. В этой лекции простым языком объясняется, что такое конденсированные состояния вещества, зачем нужна теория твёрдого тела и как идеи симметрии, топологии и квазичастиц связывают полупроводники, сверхпроводники, графен и релятивистскую физику. Разбираем зонную структуру кристаллов, теорему Блоха, понятие эффективной массы. ------------------------------------------------------------------------------- Канал «Научная Тематика»! Поддержать канал Донатом🧧💰👇. Перевод на карту: Сбер: 4817 7601 3927 9347 Т-банк: 2200 7017 8811 7452 Сервисы раннего доступа, смотри видео раньше и поддержи канал: Подписка на Boosty • https://boosty.to/ivanovskiy/donate Подписка на VK_Donut • https://vk.com/donut/ivanovskiysergey Канал в соцсетях👇 Телеграм • https://t.me/ivanovskiysergey ВК • https://vk.com/ivanovskiysergey Дзен • https://dzen.ru/ivanovskiysergey Rutube •https://rutube.ru/video/person/30197834 ------------------------------------------------------------------------------- Лекция начинается с широкой панорамы: конденсированные среды — это практически всё, кроме идеальных газов и плазмы. К ним относятся твёрдые тела, жидкости, квантовые жидкости, жидкий гелий и даже «жидкий свет». Те же теоретические подходы применяются и к нейтронным звёздам, и к кристаллам кремния и арсенида галлия, на которых построена современная электроника, IT и технологии искусственного интеллекта. Далее обсуждается главная задача теории — нахождение энергетического спектра среды: набора возможных энергий для электронов, ядер и более сложных возбуждений — фононов, плазмонов, экситонов, поляронов. Низкие энергии связаны с медленными колебаниями решётки (фононами), высокие — с быстрым движением лёгких электронов. Это определяет теплоёмкость, теплопроводность, распространение звука, оптические и транспортные свойства, отвечает на вопрос, почему металлы проводят ток, а изоляторы — нет. Отдельный блок посвящён истории области через призму Нобелевских премий: упомянуты 12 наград, связанных с теорией конденсированных сред — от квантовых жидкостей и сверхтекучести до сверхпроводимости, антиферромагнетизма, эффекта Джозефсона, теории неупорядоченных систем, фазовых переходов, метода функционала плотности, квантового эффекта Холла, топологических фаз и жидких кристаллов. Подчёркивается роль ленинградской школы и Физтеха Иоффе. Ключевые сквозные идеи лекции — симметрия и квазичастицы. Кристалл обладает трансляционной инвариантностью: сдвиг на период оставляет решётку неизменной. Из этой симметрии вытекает теорема Блоха: энергетический спектр электрона распадается на разрешённые и запрещённые зоны, а состояние электрона характеризуется квазиимпульсом. К соображениям симметрии в последние десятилетия добавились топологические инварианты зон. Концепция квазичастиц объясняет, почему в кристалле «электрон — это не совсем электрон»: вокруг него формируется «свита» из других электронов и смещённых ядер. Так появляются электроны и дырки в полупроводниках, фононы, экситоны, куперовские пары в сверхпроводниках, элементарные возбуждения в квантовых жидкостях и магнетиках. На примере арсенида галлия показано, как выглядит зонная структура: зона проводимости с электронами, валентная зона с дырками, эффективная масса, которая может быть и положительной, и отрицательной. Сравнение с релятивистской дисперсией Дирака приводит к красивому выводу: подобрав среду с нужным законом дисперсии, можно моделировать на «настольной» установке эффекты, наблюдаемые лишь в коллайдерах или астрофизике. Яркий пример — графен с коническим спектром и безмассовыми дираковскими фермионами, а также вейлевские полуметаллы и парадокс Клейна. В финале — переход к вопросу заполнения зон, фотоэффекту по Эйнштейну, появлению пар «электрон–дырка» и аналогии с атомом водорода, которую обещано раскрыть в следующей беседе. 00:14 Что такое физика конденсированных сред 02:30 Фундаментальные и прикладные задачи, связь с электроникой 04:03 Модель кристалла и энергетический спектр 07:05 Электроны, фононы и квазичастицы 09:39 12 Нобелевских премий: история теории 17:34 Симметрия и топология как сквозные идеи 19:42 Концепция квазичастиц: «король со свитой» 23:48 Кристалл арсенида галлия и теорема Блоха 29:20 Закон дисперсии и эффективная масса 34:10 Аналогия с релятивистской физикой и графен 43:17 Заполнение зон, электроны и дырки 46:55 Фотоэффект и переход к аналогии с атомом водорода #физика #конденсированныесреды #квантоваяфизика #полупроводники #графен
Физика конденсированных сред — это наука о том, из чего состоит почти всё, что нас окружает: кристаллы в смартфонах и компьютерах, жидкости, металлы, полупроводники и даже вещество нейтронных звёзд. В этой лекции простым языком объясняется, что такое конденсированные состояния вещества, зачем нужна теория твёрдого тела и как идеи симметрии, топологии и квазичастиц связывают полупроводники, сверхпроводники, графен и релятивистскую физику. Разбираем зонную структуру кристаллов, теорему Блоха, понятие эффективной массы. ------------------------------------------------------------------------------- Канал «Научная Тематика»! Поддержать канал Донатом🧧💰👇. Перевод на карту: Сбер: 4817 7601 3927 9347 Т-банк: 2200 7017 8811 7452 Сервисы раннего доступа, смотри видео раньше и поддержи канал: Подписка на Boosty • https://boosty.to/ivanovskiy/donate Подписка на VK_Donut • https://vk.com/donut/ivanovskiysergey Канал в соцсетях👇 Телеграм • https://t.me/ivanovskiysergey ВК • https://vk.com/ivanovskiysergey Дзен • https://dzen.ru/ivanovskiysergey Rutube •https://rutube.ru/video/person/30197834 ------------------------------------------------------------------------------- Лекция начинается с широкой панорамы: конденсированные среды — это практически всё, кроме идеальных газов и плазмы. К ним относятся твёрдые тела, жидкости, квантовые жидкости, жидкий гелий и даже «жидкий свет». Те же теоретические подходы применяются и к нейтронным звёздам, и к кристаллам кремния и арсенида галлия, на которых построена современная электроника, IT и технологии искусственного интеллекта. Далее обсуждается главная задача теории — нахождение энергетического спектра среды: набора возможных энергий для электронов, ядер и более сложных возбуждений — фононов, плазмонов, экситонов, поляронов. Низкие энергии связаны с медленными колебаниями решётки (фононами), высокие — с быстрым движением лёгких электронов. Это определяет теплоёмкость, теплопроводность, распространение звука, оптические и транспортные свойства, отвечает на вопрос, почему металлы проводят ток, а изоляторы — нет. Отдельный блок посвящён истории области через призму Нобелевских премий: упомянуты 12 наград, связанных с теорией конденсированных сред — от квантовых жидкостей и сверхтекучести до сверхпроводимости, антиферромагнетизма, эффекта Джозефсона, теории неупорядоченных систем, фазовых переходов, метода функционала плотности, квантового эффекта Холла, топологических фаз и жидких кристаллов. Подчёркивается роль ленинградской школы и Физтеха Иоффе. Ключевые сквозные идеи лекции — симметрия и квазичастицы. Кристалл обладает трансляционной инвариантностью: сдвиг на период оставляет решётку неизменной. Из этой симметрии вытекает теорема Блоха: энергетический спектр электрона распадается на разрешённые и запрещённые зоны, а состояние электрона характеризуется квазиимпульсом. К соображениям симметрии в последние десятилетия добавились топологические инварианты зон. Концепция квазичастиц объясняет, почему в кристалле «электрон — это не совсем электрон»: вокруг него формируется «свита» из других электронов и смещённых ядер. Так появляются электроны и дырки в полупроводниках, фононы, экситоны, куперовские пары в сверхпроводниках, элементарные возбуждения в квантовых жидкостях и магнетиках. На примере арсенида галлия показано, как выглядит зонная структура: зона проводимости с электронами, валентная зона с дырками, эффективная масса, которая может быть и положительной, и отрицательной. Сравнение с релятивистской дисперсией Дирака приводит к красивому выводу: подобрав среду с нужным законом дисперсии, можно моделировать на «настольной» установке эффекты, наблюдаемые лишь в коллайдерах или астрофизике. Яркий пример — графен с коническим спектром и безмассовыми дираковскими фермионами, а также вейлевские полуметаллы и парадокс Клейна. В финале — переход к вопросу заполнения зон, фотоэффекту по Эйнштейну, появлению пар «электрон–дырка» и аналогии с атомом водорода, которую обещано раскрыть в следующей беседе. 00:14 Что такое физика конденсированных сред 02:30 Фундаментальные и прикладные задачи, связь с электроникой 04:03 Модель кристалла и энергетический спектр 07:05 Электроны, фононы и квазичастицы 09:39 12 Нобелевских премий: история теории 17:34 Симметрия и топология как сквозные идеи 19:42 Концепция квазичастиц: «король со свитой» 23:48 Кристалл арсенида галлия и теорема Блоха 29:20 Закон дисперсии и эффективная масса 34:10 Аналогия с релятивистской физикой и графен 43:17 Заполнение зон, электроны и дырки 46:55 Фотоэффект и переход к аналогии с атомом водорода #физика #конденсированныесреды #квантоваяфизика #полупроводники #графен