Podstawy nanoinżynierii

Na zajęciach zostaną przedstawione najnowsze osiągnięcia kwantowej fizyki teoretycznej i eksperymentalnej pozwalające uzyskać i badać nowe nanomateriały – układy o nanoskopowych rozmiarach, w których efekty kwantowe odgrywają kluczową rolę. Zaczynając od opisu pierwszych sukcesów teorii kwantowej wyjaśniających podstawowe własności materiałów, zostanie zaprezentowany rozwój nanotechnologii, której początki sięgają lat 90-tych, następnie przechodząc do najnowszych badań w XXI wieku, w których jednym z głównych trendów są topologiczne efekty kwantowe. Na wykładzie zostaną scharakteryzowane materiały o największym potencjale aplikacyjnym, min. nanorurki węglowe, kropki kwantowe, grafen, rozmaite dwuwymiarowe monowarstwy atomowe i heterostruktury, w tym izolatory topologiczne. Dodatkowo zostaną przestawione nowe obszary badań znajdujące swój potencjał już dziś, charakteryzujące się bardzo dynamicznym rozwojem jak optyka, chemia i informatyka kwantowa, oraz symulatory kwantowe.

W pierwszej części studenci dowiedzą się o podstawowych własnościach materiałów oraz ich odpowiednikach w skali nanoskopowej – czym się różnią i jakie nowe możliwości pojawiają się dzięki kwantyzacji rozmiarowej. Scharakteryzowane zostaną zarówno własności mechaniczne jak i elektronowe, optyczne i magnetyczne. Następnie zostaną zaprezentowane techniki eksperymentalne umożliwiające badanie nowych nanomateriałów. Studenci poznają metody projektowania nanostruktur o zadanych własnościach. Jednym ze współcześnie najgorętszych tematów, który zostanie omówiony na wykładzie, to teoria topologicznych efektów kwantowych. Pojawi się teoretyczne wprowadzenie, wraz z charakterystyką rozmaitych izolatorów topologicznych i przedstawieniem najnowszych wyników eksperymentalnych i teoretycznych oraz kierunkiem rozwoju. W kolejnej części studenci poznają zastosowania teorii kwantowej w obszarach optyki kwantowej, chemii kwantowej i informatyki kwantowej, wraz z zyskującymi sporą popularność symulatorami kwantowymi – tworzonymi od wielu lat na sieciach optycznych oraz rozwijanymi w ostatnich kilku latach na bazie tzw. supersieci zbudowanych z innych nanoskopowych obiektów lub poskręcanych warstw atomowych.

1. Introduction to nanoscience and nanotechnology, G.L. Hornyak, H. Tibbals, J. Dutta, J. J. Moore, CRC Press, Taylor & Francis Group, FL (2008).

2. Carbon wonderland, A. K. Geim and P. Kim, Sci. Am. 298, 90 (2008).

3. Nobel Lecture: Graphene: Materials in the Flatland, K. S. Novoselov, Rev. Mod. Phys. 83, 837 (2011)

4. Nobel Lecture: Topological quantum matter, F. Duncan M. HaldaneRev. Mod. Phys. 89, 040502 (2017).

5. Moiré heterostructures as a condensed-matter quantum simulator, D. M. Kennes, et al.,Nat. Phys. 17, 155 (2021).