Podstawy nanoinżynierii

Kurs wprowadza w podstawowe zagadnienia związane z układami niskowymiarowymi, skupiając się w głównej mierze na roli efektów kwantowych.

Konieczne dla przyswojenia materiału kursu są wiedza z zakresu matematyki i fizyki na poziomie szkoły średniej.

Godziny realizowane z udziałem nauczycieli ( 34 godz.):

- udział w wykładach – 30

- konsultacje z nauczycielem akademickim – 4

Czas poświęcony na pracę indywidualną studenta ( 45 godz.):

- czytanie literatury – 20

- przygotowanie i uzupełnienie notatek – 10

- przygotowanie do egzaminu – 15

Łącznie: 79 godz. (3 ECTS)

W1: wiedza o układach w skali nano oraz ich własnościach fizycznych.

W2: wiedza dotycząca metod badania nanostruktur oraz stosowanych do tego narzędziach eksperymentalnych i teoretycznych.

W3: wiedza o zastosowaniach nanostruktur w nauce i przemyśle.

Efekty uczenia realizują następujące kierunkowe efekty uczenia: K_W01, K_W02, K_W05

U1: posiada umiejętność charakteryzowania i określania własności nanostruktur.

U2: posiada nawyk samokształcenia

U3: posiada umiejętność korzystania z literatury naukowej

Efekty uczenia realizują następujące kierunkowe efekty uczenia: K_U01, K_U5, K_U7

K1: ma świadomość przestrzegania obyczajów i zasad obowiązujących w środowisku akademickim i innych społecznościach

K2: ma wyrobione przekonania o własnych umiejętnościach i możliwościach, a także o znaczeniu racjonalnego myślenia

Efekty uczenia realizują następujące kierunkowe efekty uczenia: K_K01, K_K02, K_K04

Wykład:

- wykład informacyjny (konwencjonalny) z prezentacją multimedialną

- opowiadanie
- wykład informacyjny (konwencjonalny)

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).

Przedmiot obejmuje 30 godzin wykładu.

Zaliczenie wykładu odbywa się na podstawie pozytywnej oceny egzaminu ustnego (w terminie 1 bądź, w razie niepowodzenia w tym terminie, w terminie poprawkowym; terminy egzaminów są podawane Studentom na początku semestru).

Zaliczenie egzaminu ustnego na podstawie punktacji za osiągnięte wyniki:

50% - 65% - ocena dst (3)

66% - 71% - ocena dst + (3.5)

72% - 83% - ocena db (4)

84% - 89% - ocena db + (4.5)

90%- 100% - ocena bdb (5)