2. Физика конденсированных сред: кристаллы, полупроводники, графен, спектр. 12 Нобелевских премий.

Описание

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