Topic outline

  • General

    Курс складається із стислого огляду-класифікації сучасних методів дослідження матеріалів під впливом зовнішніх чинників: температури, тиску, механічного навантаження, магнітних та електричних полів та різних видів опромінення – різноманітні спектроскопічні методи. Більш детально, на прикладах європейських експериментальних інфраструктур, розглянуто способи реалізації високих магнітних полів та їх застосування, синхротронні експерименти та метод фотоелектронної спектроскопії, дифракційні методи та методи тунельної електронної спектроскопії.

  • 1. Матеріали під впливом зовнішніх чинників

    Вступна лекція. Лектор: Олександр Кордюк

    • Температура: шкали, рекорди, нормальні та екстремальні температури Всесвіту, печі та кріостати. Діапазон температур у фізиці конденсованої речовини. Великий адронний колайдер та ІТЕР. Методи вимірювання температури. 
    • Тиск: від ультра високого вакууму до металічного водню, вакуумні насоси та преси.
    • Фазові діаграми: P-T, B-T, T-x


    Контрольні питання

    1. Мінімальні і максимальні температури: кубіт, рідкий гелій, оптична піч, поверхня Сонця...
    2. Чим визначаються максимальні температури індукційної та оптичної печей?
    3. Чому першим металом в якому відкрили надпровідність стала ртуть?
    4. Принцип дії кріостату розчинення? 
    5. Чи завжди ми вимірюємо температуру термометру?
    6. Чим цікавий металічний водень?
    7. Якими бувають фазові діаграми?

    URL: 1File: 1Folder: 1

  • 2. Матеріали в магнітних та електричних полях

    Вступна лекція 2. Лектор: Олександр Кордюк

    • Стале магнітне поле. B-поле та H-поле. Системи одиниць. Магнітні поля в природі. Екранування поля. Нормальні та надпровідні електромагніти. Міжнародні лабораторії високих магнітних полів та світові рекорди. Короткий огляд магнітних експериментів. Магнетометри.
    • Електричне поле. Тунельна спектроскопія. Польовий транзистор...


    Контрольні питання

    1. Чим відрізняється H-поле та B-поле?
    2. Принцип роботи ЯМР та МРТ? Чому роздільна здатність залежить від поля?
    3. Чим обмежені максимальні поля резистивних, надпровідних та імпульсних магнітів?
    4. Принцип роботи потокового (fluxgate) магнетометра?
    5. Принцип роботи VSM?
    6. Принцип роботи SQUID?

    URL: 1File: 1Folder: 1

  • 3. Спектроскопічні методи


    • Spectroscopic Techniques: Класифікація спектроскопій за типами збуджень та детектування.
    • Scanning tunneling spectroscopy (STS)
    • Field-emission microscopy (FEM) and Field ion microscope (FIM). 
    • Subatomic microscopies: Ultrahigh resolution field-emission electron microscopy. Velocity map imaging spectrometer (VMI)
    • Scanning electron microscope (SEM)
    • Thermal desorption spectroscopy (TDS) or Temperature programmed desorption (TPD). Arrhenius equation. Ступені вакууму
    • Mass spectrometry. Quadrupole mass spectrometer (QMS)
    • Rutherford backscattering spectrometry (RBS) and Secondary-ion mass spectrometry (SIMS)
    • Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf: 
      Ion Beam Center, 
      Electron Linac for beams with high Brilliance and low Emittance (ELBE), 
      Dresden High Magnetic Field Laboratory.
    • Low Energy Electron Difraction (LEED). Reflection High Energy Electron Diffraction (RHEED).

    • Photoelectron spectroscopy. Electronic band structure. ARPES intro.


    Контрольні питання

    1. Приклади методів, що використовують пружне/непружне розсіювання фотонів/електронів?
    2. Чому роздільна здатність іонного польового мікроскопа більше ніж електронного емісійного?
    3. Чому роздільна здатність електронного мікроскопа більше ніж оптичного? 
    4. В чому різниця між TEM та SEM?
    5. Чим RHEED кращий за LEED?
    6. Як відрізнити поверхневі та об'ємні зони на ARPES-спектрах?


    URL: 1File: 1Folder: 1

  • 4. Фотоемісійна спектроскопія з кутовим розділенням (ARPES)

    Лектор: Олександр Кордюк

    Тема на 1.5 лекції: лекція 4 та половина лекції 5.

    • Оже-спектроскопія (Auger electron spectroscopy)
    • Рентгенівська фотоелектронна спектроскопія (XPS): остовні рівні та валентна зона
    • Фотоемісійна спектроскопія з кутовим розділенням (ARPES): 
      • Фотоефект, фотоелектронний спектр, закони збереження енергії та імпульсу, розділення по енергії, розділення по імпульсу
      • Глибина виходу фотоелектронів
      • Електронна зонна структура: співвідношення невизначенності Гейзенберга, принцип Паулі, зона Брілюена
      • Ферміологія: енергія Фермі, рівень Фермі, імпульс Фермі, поверхня Фермі у 2D та 3D, швидкість Фермі
      • Електронний спектр: квазічастинкова спектральна функція, власна енергія
      • Електронна структура квазі-двовимірних кристалів на прикладі надпровідних купратів та дихалькогенідів
      • Енергетична шкала: температура, надпровідна щілина, зонна щілина, перехід Паєрлса
      • "Матричні елементи" - залежність від енергії та поляризації фотонів
      • Джерела фотонів
      • Синхротронний ARPES-експеримент

    Контрольні питання

    1. В чому різниця між остовними рівнями та валентною зоною?
    2. Як в ARPES-спектрометрі реалізуються розділення по імпульсу і енергії?
    3. Що таке поверхня Фермі, як її визначають експериментально?
    4. Назвати характерні енергетичні шкали: глибина зони, зонна щілина, надпровідна щілина, kT. 
    5. Можливі джерела фотонів та переваги синхротронного випромінювання?


    URLs: 4Files: 2

  • 5. Синхротронні експерименти


    • ARPES як приклад синхротронного експерименту
    • Мапа європейських синхротронів
    • Циклотрон і циклотронний резонанс, синхроциклотрон
    • Принцип роботи синхротрона: booster, storage ring, undulator
    • Beamline - лінія формування фотонного пучку
    • Протонний синхротрон
    • Великий адронний колайдер
    • Лазери на вільних електронах

    Контрольні питання

    1. Принцип роботи циклотрона та синхроциклотрона, в чому відмінності?
    2. Принцип роботи синхротрона. Енергії електронів в кільці і як компенсують енергетичні втрати?
    3. Принцип роботи ондулятора. Чим визначається енергія та поляризація синхротронного випромінювання?
    4. Основні елементи бімлайна?
    5. Принцип роботи лазера на вільних електронах? Його переваги перед синхротроном? 
    6. Конструкція та принцип роботи Великого адронного колайдера?

    URLs: 3File: 1

  • 6. Квантове тунелювання та тунельна спектроскопія: FT-STS


    • ARPES , STS та INS: різні обернені простори
    • Квантове тунелювання, тунельний контакт, тунельний діод, тунельний магнетоопір, SQUID
    • Сканувальна тунельна мікроскопія (STM): 7х7 надструктура поверхні Si(111)
    • Сканувальна тунельна спектроскопія (STS): STS надпровідників
    • Фурьє-трансформована (FT) STS: експеримент, квантові коралі, купрати, інтерференційна гіпотеза
    • Від FT-STS до ARPES: алгоритми поновлення фази


    Контрольні питання

    1. Механізм квантового тунелювання та де воно використовується?
    2. В чому особливість тунелювання між надпровідниками?
    3. Принцип та моди роботи тунельного скануючого мікроскопа (STM/STS)?
    4. Що можна побачити при фурьє-перетворенні картинок STS?
    5. Що таке "7х7" надструктура та "квантові корали"?

    URL: 1File: 1

  • 7. Спектральні функції та перетворення Фурьє


    • Одно-частинкова спектральна функція як уявна частина функції Гріна
    • Власна енергія: дійсна та уявна частини, фермі-рідина Ландау, фейнманівскі діаграми
    • Двохчастинкова функція – функція Лінхардта: спектр спінових флуктуацій в купратах
    • Перетворення Фурьє: приклади та застосування
    • Кореляція та авто-кореляція і знову про FT-STS
    • FT та електронна структура

    URL: 1File: 1

  • 8. Непружне нейтронне розсіювання (INS)


    • Приклад FFT
    • Непружне нейтронне розсіювання (INS)
      • Порівняння з рентгенівською та електронною дифракцією
      • Енергія та довжина хвилі повільних нейтронів 
      • Перерізи нейтронного розсіювання
      • Когерентне та некогерентне розсіювання
      • Типи нейтронних монохроматорів
      • Мапа нейтронних фабрик для досліджень
      • Еволюція нейтронних джерел
      • Розпад (fission) та розколювання (spallation)
      • Приклади нейтронних центрів: ILL, SNS, ESS
      • Tripple axis spectrometer
      • Time-of-flight spectrometer
      • Spin-echo spectrometer
      • приклади експериментальних спектрів 

    URL: 1File: 1

  • 9. Мюонна спінова спектроскопія (µSR)


    • Мюонна спінова спектроскопія
      • Мюонний розпад
      • Принципова схема експерименту
      • Типи мюонних експериментів: обертання, релаксація та резонанс мюонних спінів
      • Спінова прецесія у магнітному полі
      • Типові релаксаційні процеси
      • µSR надпровідників
      • Генерація мюонів
      • Джерела мюонів у світі: Swiss Muon Source
    • Раманівська спектроскопія
    • Резонансне непружне ренгенівське розсіяння (RIXS)

    URL: 1File: 1Folder: 1

  • 10. Транспортні методики

    Лектор: Олексій КаленюкTransport

    • Вимірювання провідності (опору)
      • термо-, волого-, тензо- та фото-резистори
      • Wheatstone bridge
      • Kelvin double bridge
      • 2- and 4-points measurements
      • van der Pau method 
      • Resistor and bipolar transistor
    • Noise
      • Johnson-Nyquist (white) noise
      • Flicker (pink) noise
      • Brownian (brown) noise
      • Blue noise
      • Spectrum Analyzer
      • Noise in real systems
    • Lock-in amplifier
      • AC detection
      • Signal processing
      • Phase sensitive detector 
      • SR830 DSP Lock-in Amplifier
      • Differential i-v characteristic and other examples

    URL: 1File: 1

  • 11. Методи засновані на квантових осциляціях


    • Рівні Ландау
    • Ефект Шубникова - де Гааза
    • Ефект де Гааза - ван Альфена
    • Торк-магнетометрія


    Контрольні питання

    1. Механізм утворення квантових рівнів Ландау?
    2. Рівні Ландау в графені - схематисно намалювати та пояснити?
    3. В чому полягає ефект Шубникова - де Гааза, пояснити?
    4. В чому полягає де Гааза - ван Альфена, пояснити?
    5. Для чого потрібні якомога високі магнітні плоля?
    6. Принцип роботи торк-магнетометра?

    URL: 1File: 1

  • 12. Рентгенівський дихроїзм та інфрачервона спектроскопія



    • Лінійний та круговий дихроїзми - що це?
    • X-ray absorption spectroscopy 
    • Near Edge X-Ray Absorption Fine Structure spectroscopy (NEXAFS)
      • to remind: Auger electron spectroscopy
      • Carbon K-edge NEXAFS spectra
    • X-ray magnetic circular dichroism (XMCD)
      • XMCD at ultralow temperature
      • XMLD and XMCD by photoemission electron microscopy (PEEM)
    • Spin- and Angle-Resolved Photoemission Spectroscopy
      • Mott and VLEED spin detectors
    • Infra-red (IR) spectroscopy
      • Two-dimensional infrared spectroscopy (2DIR)


    Контрольні питання

    1. Принципи...?

    URL: 1File: 1

  • 13. Масивні дані

    URL: 1File: 1

  • X. Скануюча тунельна мікроскопія та спектроскопія

    Лектор: Володимир Карбівський

    • Основи теорії процесу розсіювання. "Золоте" правило Фермі. Матричний елемент переходу для тунельного переходу.
    • Принцип дії тунельного мікроскопа. Метод постійного струму. Метод постійної висоти. Відображення роботи виходу. Знаходження щільності електронних станів.
    • Скануюча тунельна спектроскопія. I(z) - спектроскопія. I(v) - спектроскопія. 
    • Граничні режими та технічні деталі. Отримання інформації про тунелювання одного електрона. Отримання вістря і вимоги до нього. Приклади тунельних спектрів і знімків СТМ.

    File: 1Folder: 1

  • X. Фізичні явища у високих магнітних полях

    Лектор: Дмитро Каменський

    • Як отримати сильне магнітне поле. Типи магнітів: резистивні, надпровідні, гібридні, імпульсні.
    • Чому ми хочемо мати високі магнітні поля. Квантовий ефект Холла. Квантування Ландау. Коливання Шубнікова де Гааза. Квантові коливання в органічному металі. Фаза Шубнікова у надпровідниках.
    • Циклотронний резонанс. Тверді тіла з точки зору спектроскопії. High field FT-FIR transmission setup.
    • Лазери на вільних електронах. FELIX and FLARE facilities. Coupling between FELIX and HFML. THz gap. 
    • Магнітний момент (спін) у магнітному полі. Магнітні частинки в магнітному полі. 
    • ЕПР. Торк-експеримент. Фрустрація в азуріті. Спектри ЕПР в імпульсних полях. Інфра-червона спектроскопія та ЕПР.
    File: 1

  • X. Метод кінетичного індентування

    Лектор: Олександр Філатов

    • Поняття про твердість. Рівні індентування, мікро- та наноіндентування. Форма інденторів. Зв`язок між твердістю та межею текучості.
    • Кінетичне індентування. Блок - схема приладу для кінетичного індентування. Геометрія відбитку. Розрахунок мікротвердості. Вплив глибини індентування на нанотвердість. Можливі причини впливу глибини на нанотвердість. Роль дефектів в динамічному індентуванні.
    • Види діаграм навантаження – розвантаження. Прилад УПМ-11, його параметри. Параметри діаграми. Вплив деформації на механічні властивості.
    • Опрацювання результатів експерименту.

    File: 1