Fasta tillståndets fysik

Lärandemål

• Beskriva matematiskt kristallstrukturer i termer av ett Bravaisgitter med en bas; enhetscell, primitiv cell. Kristallplan, Millerindex.
• Redogöra för de mest grundläggande modellerna för kristallbindning; kovalent bindning, jonbindning, metallbindning, vätebindning.
• Beskriva och beräkna hur kristallstrukturer kan bestämmas genom diffraktion, samt känna till skillnaden mellan röntgen-, neutron-, och elektron-diffraktion. Redogöra för produktion av rötgenljus och neutroner, och funktionen av synkrotronljusanläggninar och neutronkällor.
• Beräkna det reciproka gittret till en kristall, strukturfaktorn for olika typer av strukturer, och redogöra för begreppet Brillouinzoner.
• Beräkna vibrationsmoder i kristaller i den enkla fjäder-boll-modellen, att dessa är kvantiserade (fononer) och hur de bidrar till värmekapacitet och värmeledning. Kunna förklara skillnaden mellan akustiska och optiska gittervibrationer.
• Beskriva och räkna på grundläggande aspekter hos den fria elektrongasen som ges av Fermi-Dirac-fördelningen för en partikel i en låda eller med periodiska randvillkor.
• Redogöra för begreppen Fermisfär, Fermiyta, Fermivågtal, Fermienergi, Fermitemperatur.
• Beräkna tillståndstätheten beroende på energispektrum och dimensionalitet.
• Beskriva effekten av elektromagnetiska fält genom Drude-modellen för den komplexa konduktiviteten. Hur denna är relaterad till DC-konduktivitet, reflektivitetet, brytningsindex, samt plasma oscillationer. Kunna ge en enkel förklaring till metallers olika färger.
• Beskriva den grundläggande skillnaden mellan metaller och halvledare/isolatorer med hjälp av kristallers bandstruktur.
• Förklara innebörden av Blochs teorem för elektroner i en periodisk potential, samt begreppet gittervågtal.
• Härleda bandstrukturen i en svag periodisk potential utgående från den tomma gittermodellen, samt med hjälp av tight-binding modellen för enkla gitter.
• Redogöra för och använda rörelseekvationen för en Bloch-elektron och hur denna är relaterad till begreppet effektiv massa.
• Redogöra för den grundläggande beskrivning av en halvledare, med direkt eller indirekt bandgap, intrinsisk eller dopad. Lednings och valensband, samt beskrivningen av elektroner i valensbandet som hål. Effektiv massa för banden, mobilitetsbegreppet, samt det exponentiella temperaturberoendet hos konduktiviteten.
• Redogöra för hur man beräknar kemisk potential och elektron/hål täthet för en intrinsisk eller dopad halvledare.
• Hallefekten och hur denna är relaterad till typen av laddningsbärare.
• Beskriva hur Fermiytan är relaterad till bandstrukturen, och kvalitativt härleda Fermiytan för en svag periodisk potential.
• Redogöra för elektroners egentillstånd i ett magnetfält i termer av Landaunivåer, samt hur oscillationer i fysikaliska egenskaper kan uppstå som funktion av 1/B.
• Ge en elementär beskrivning av materials magnetiska egenskaper: Diamagnetism och (Curie) paramagnetism i isolatorer, Pauli paramagnetism och Landau diamagnetism i metaller. Ferromagnetism som en effekt av elektron-elektron växelverkan, och medelfältsbeskrivning av denna. Magnoner/spinnvågor som excitationer i ett magnetiskt ordnat tillstånd.
• Ge en elementär beskrivning av en supraledare som ett makroskopiskt kvantmekaniskt tillstånd. Beskriva Meissner-effekten, samt magnetisk fluxkvantisering i en supraledande ring.