Робоча навчальна програма дисципліни освітньо-професійної програми спеціальності „080000 Високі технології Затверджено на засіданні кафедри Протокол № від icon

Робоча навчальна програма дисципліни освітньо-професійної програми спеціальності „080000 Високі технології Затверджено на засіданні кафедри Протокол № від



Схожі


Київський національний університет
імені. Тараса Шевченка



Інститут високих технологій


Кафедра математики, теоретичної фізики та комп’ютерних технологій


Укладач: докт. фіз.-мат. наук, доц. Шека Д. Д.


Сучасний магнетизм: від основ до нанодинаміки

РОБОЧА НАВЧАЛЬНА ПРОГРАМА ДИСЦИПЛІНИ


освітньо-професійної програми спеціальності

„080000 Високі технології”


Затверджено

на засіданні кафедри

Протокол № від « » 2012 р.


Зав. кафедрою

Лозовський В.З.


Директор Інституту

Третяк О.В. .


КИЇВ - 2012

Робоча навчальна програма з дисципліни "Сучасний магнетизм: від основ до нанодинаміки"


Укладач: докт. фіз.-мат. наук, доц. Шека Д. Д.


^ Лектор: докт. фіз.-мат. наук, доц. Шека Д. Д.


Викладач: докт. фіз.-мат. наук, доц. Шека Д. Д.


Погоджено

з науково-методичною комісією

« » 20 р.


.


Методичні рекомендації по вивченню дисципліни


Дисципліна "Сучасний магнетизм: від основ до нанодинаміки" є дисципліною самостійного вибору студентів для спеціалізації „Високі технології", яка викладається в 3 семестрі магістратури в обсязі 3 кредитів (за Європейською Кредитно-Трансферною Системою ECTS), в тому числі 51 години аудиторних занять. З них 34 годин лекцій, 17 практичних. Передбачається, що студенти матимуть 57 годин самостійної роботи. Підсумковий контроль у 3 семестрі – іспит.

^ Метою вивчення дисципліни "Сучасний магнетизм: від основ до нанодинаміки" є ознайомлення студентів з основними ідеями і методами сучасної фізики магнетизму. Курс "Сучасний магнетизм: від основ до нанодинаміки" є важливою складовою підвищення фундаментальної підготовки та вдосконалення їх умінь на старших курсах.

^ Предметом навчальної дисціпліни "Сучасний магнетизм: від основ до нанодинаміки" є магнітовпорядковані системи, зокрема наномагнетики.

В курсі детально розглядаються основи сучасного магнетизму, методи спостереження, дослідження, аналізу магнітних явищ. I модульний контроль — основи магнетизму; II модульний контроль — низьковимірний магнетизм та наномагнетизм.

^ Вимоги до знань та вмінь.

Студент повинен знати: основи теорії магнетизму, основні методи аналізу магнітних систем, основні фізичні ефекти та явища, що спостерігаються в магнетиках. Мати уяву про практичні застосування магнетиків в сучасних мікро- та нано-електронних технологіях.

^ Студент повинен вміти: аналізувати магнітни явища, оцінювати величини ефектів, пояснювати результати експериментів на основі побудови простих моделей.

^ Місце в структурно-логічній схемі спеціальності. Дисципліна "Сучасний магнетизм: від основ до нанодинаміки" є складовою фундаментальної підготовки фахівців освітньо-кваліфікаційного рівня "магістр" на спеціалізації «Високі технології», є підсумковим курсом, що в логіко-структурній схемі освіти на старших курсах спирається на курси, що вивчалися раніше: "Вибрані розділи математики та інформаційних технологій", "Вибрані розділи фізики", "Фундаментальні основи високих технологій".

^ Система контролю знань та умови підсумкового контролю. Навчальна дисципліна "Сучасний магнетизм: від основ до нанодинаміки" оцінюється за модульно-рейтинговою системою. Модульний контроль: дві модульних контрольних роботи (кількість балів зазначена в табл. 1, модульні контрольні роботи проводяться викладачем на семінарських заняттях обсягом 2 години кожна).

Підсумкова оцінка розраховується за накопичувальною системою. При цьому максимальна кількість балів встановлюється наступним чином:

за змістовий модуль №1 – 20 балів;

за змістовий модуль №2 – 40 балів;

Максимальна кількість балів

Вид контролю

Змістовий модуль

№ 1

Змістовий модуль

№ 2

Комплексний підсумковий контроль (іспит)

Підсумкова оцінка

за модульну контрольну роботу

20

30

40

100

за активність на заняттях, виконання завдань самостійної роботи



10

Всього

20

40

40

100

Табл.1. Система поточного та підсумкового контролю.


Якщо за результатами модульно-рейтингового контролю студент отримав сумарну оцінку за два змістові модулі, яка менше ніж 36 балів, то студент не допускається до заліку і вважається таким, що не виконав усі види робіт, які передбачаються навчальним планом на семестр з дисципліни "Сучасний магнетизм: від основ до нанодинаміки".


За 100-бальною шкалою

Оцінка за національною шкалою (для заліку)

90 – 100

відмінно (5)

75 – 89

добре (4)

60 – 74

задовільно (3)

1 – 59

не задовільно (2)



^ Тематичний план лекцій та практичних занять



Номер

заняття

Назва лекції

Кількість годин

лекції

практичні

самост. робота

Інші форми контролю

^ Змістовий модуль 1: Основи магнетизму

1

Магнітні взаємодії

2




3




2

Магнітні властивості металів

2




4




3

Обмінна взаємодія

2

2

4




4

Релятивістські взаємодії в магнетиках

2




4




5

Рівняння руху магнітного моменту

2

2

4




6

Спінові хвилі в феромагнетиках

2

2

4




7

Доменна структура феромагнетиків

2

2

4




8

Модульна контрольна робота № 1

2










^ Змістовий модуль 2: Низьковимірний магнетизм та наномагнетизм

9

Спостереження магнітних структур

2




3




10

Спостереження магнітних структур. Методи з часовим розділенням

2




3




11

Магнітні солітони. Одновимірні солітони

2

2

4




12

Двовимірні і тривимірні магнітні солітони

2

2

4




13

Наномагнетики і наномагнетизм

2




4




14

Вихори в наномагнетиках

2

2

4




15

Ефект перемикання полярності вихору і точка Блоха

2

2

4




16

Спін-залежні динамічні явища в феромагнетиках

2




4




17

Модульна контрольна робота № 2

2

1







Всього:

34

17

57

4



^ Докладний план лекцій, практичних занять
та самостійних завдань


3 семестр


Змістовий модуль № 1: "Основи магнетизму"


Тема № 1. «Магнітні взаємодії»


Лекція № 1. Магнітні взаємодії (2 год).

Стисла хронологія магнетизму. Магнітні властивості атомів. Класифікація речовин за магнітними взаємодіями. Магнітні властивості ізольованого атому. Атом у зовнішньому полі: ефект Зеемана, гіромагнітний фактор Ланде. Ларморівський діамагнетизм, формула Ланжевена, магнітна левітація. Парамагнетизм: закон Кюрі-Бріллюена, парамагнетизм Ланжевена та Ванфлека.

^ Завдання для самостійної роботи: (3 год).

Робота над лекційним матеріалом з конспектом та рекомендованою літературою, виконання домашнього завдання.

^ Рекомендована література: [1,2,5,6,7,9].


Тема № 2. «Магнітні властивості металів. Види магнітного впорядкування»


Лекція № 2. Магнітні властивості металів. Види магнітного впорядкування (2 год).

Магнетизм вільних електронів в металах: парамагнетизм Паулі. діамагнетизм Ландау, ефект де-Гааза–ван-Альфена. Види магнітного впорядкування. Феромагнетики, антиферомагнетики, ферімагнетики, антиферомагнетики зі слабким феромагнетизмом, модульовані магнітні структури.

^ Завдання для самостійної роботи: (4 год).

Робота над лекційним матеріалом з конспектом та рекомендованою літературою, виконання домашнього завдання.

^ Рекомендована література: [1,2,5,6,7].


Тема № 3. «Обмінна взаємодія»


Лекція № 3. Обмінна взаємодія (2 год).

Обмінна взаємодія в атомах і молекулах. Обмінний гамільтоніан феромагнетика: обмінна взаємодія спінів 1/2, негейзенбергівський обмін, обмінна енергія феромагнетика, феноменологічний опис обмінної енергії.

^ Практичне заняття. Магнітні взаємодії. (2 год).

Магнітні взаємодії в атомах. Магнітна енергія феромагнетика.

Завдання для самостійної роботи: (4 год).

Робота над лекційним матеріалом з конспектом та рекомендованою літературою, виконання домашнього завдання.

^ Рекомендована література: [1,2,5,6].


Тема № 4. «Релятивістські взаємодії в магнетиках»


Лекція № 4. Релятивістські взаємодії в магнетиках (2 год).

Магнітна анізотропія: спін-орбітальна взаємодія, ефективний спіновий гамільтоніан, енергія магнітної анізотропії. Магнітодипольна взаємодія: магнітодипольний гамільтоніан, магнітостатична взаємодія, тензор коефіцієнтів розмагнічування. Макроскопічна енергія феромагнетика: повна енергія, застосовність макроскопічного підходу


^ Завдання для самостійної роботи: (4 год).

Робота над лекційним матеріалом з конспектом та рекомендованою літературою, виконання домашнього завдання.

^ Рекомендована література: [1,2,5].


Тема № 5. «Рівняння руху магнітного моменту»


Лекція № 5. Рівняння руху магнітного моменту (2 год).

Рівняння Ландау–Ліфгиця: динаміка "жорсткого" магнітного моменту, квантово-механічний підхід до динаміки, макроскопічні рівняння руху, врахування дисипації. Властивості рівнянь Ландау–Ліфшиця: рівняння в кутових змінних, лагранжева та гамільтонова структура рівнянь, інтеграли руху, дисипативна функція.

^ Практичне заняття. Рівняння руху магнітного моменту (2 год).

Рівняння Ландау-Лифшица, методи аналізу.

Завдання для самостійної роботи: (4 год).

Робота над лекційним матеріалом з конспектом та рекомендованою літературою, опрацювання семінарських занять, виконання домашнього завдання.

^ Рекомендована література: [1,2,3,5,7].


Тема № 6. «Спінові хвилі в феромагнетиках»


Лекція № 6. Спінові хвилі в феромагнетиках (2 год).

Рівноважний стан феромагнетика: легкоосьовий та легкоплощинний феромагнетик. Тензор високочастотної магнітної сприйнятливості: лінеаризовані рівняння та Фур'є-аналіз. Закон дисперсії спінових хвиль. Затухання спінових хвиль. Однорідний феромагнітний резонанс.

^ Практичне заняття. Спінові хвилі в феромагнетиках (2 год).

Спінові хвилі: опис, аналіз, закон дисперсії, затухання.

Завдання для самостійної роботи: (4 год).

Робота над лекційним матеріалом з конспектом та рекомендованою літературою, опрацювання семінарських занять, виконання домашнього завдання.

^ Рекомендована література: [1–5].


Тема № 7. «Доменна структура феромагнетиків»


Лекція № 7. Доменна структура феромагнетиків (2 год).

Магнітні домени: причини та умови появи доменів. Доменні стінки в одноосьових кристалах: стінки Блоха та Нееля, розміри доменів, доменні стінки в плівках. Доменні стінки в двоосьових магнетиках: структура доменної стінки, динаміка стінки, гранична швидкість, маса доменної стінки. Динаміка стінки в зовнішньому полі.

^ Практичне заняття. Доменна структура феромагнетиків (2 год).

Доменні стінки Блоха та Нееля. Динаміка стінок в двоосьовому магнетику, маса доменної стінки.

^ Завдання для самостійної роботи: (4 год).

Робота над лекційним матеріалом з конспектом та рекомендованою літературою, опрацювання семінарських занять, виконання домашнього завдання.

^ Рекомендована література: [1–5].


Модульний контроль №1 (2 години)

Контрольні запитання.

  1. Намагніченість класичної системи заряджених частинок. Теорема Бора–ван-Льовен.

  2. Класифікація речовин за магнітними взаємодіями. Магнітні властивості ізольованого атому.

  3. Атом у зовнішньому полі: ефект Зеемана, гіромагнітний фактор Ланде.

  4. Ларморівський діамагнетизм, формула Ланжевена, магнітна левітація.

  5. Парамагнетизм: закон Кюрі-Бріллюена, парамагнетизм Ланжевена та .Ванфлека.

  6. Магнетизм вільних електронів в металах: парамагнетизм Паулі.

  7. Магнетизм вільних електронів в металах: діамагнетизм Ландау.

  8. Магнетизм вільних електронів в металах: ефект де-Гааза–ван-Альфена.

  9. Види магнітного впорядкування.

  10. Обмінна взаємодія в атомах і молекулах.

  11. Обмінна взаємодія в феромагнетиках.

  12. Магнітна анізотропія: спін-орбітальна взаємодія, ефективний спіновий гамільтоніан, енергія магнітної анізотропії.

  13. Магнітодипольна взаємодія: магнітодипольний гамільтоніан, магнітостатична взаємодія, тензор коефіцієнтів розмагнічування.

  14. Макроскопічна енергія феромагнетика.

  15. Застосовність макроскопічного підходу до опису феромагнетизму.

  16. Рівняння Ландау–Ліфшиця: квантово-механічний підхід до динаміки, макроскопічні рівняння руху, врахування дисипації.

  17. Властивості рівнянь Ландау–Ліфшиця: рівняння в кутових змінних, лагранжева та гамільтонова структура рівнянь, інтеграли руху, дисипативна функція.

  18. Рівноважний стан феромагнетика: легкоосьовий та легкоплощинний феромагнетик.

  19. Спінові хвилі в феромагнетиках. Тензор високочастотної магнітної сприйнятливості: лінеаризовані рівняння та Фур'є-аналіз.

  20. Закон дисперсії спінових хвиль. Затухання спінових хвиль.

  21. Однорідний феромагнітний резонанс.

  22. Магнітні домени: причини та умови появи доменів.

  23. Доменні стінки в одноосьових кристалах: стінки Блоха та Нееля, розміри доменів.

  24. Доменні стінки в плівках.

  25. Доменні стінки в двоосьових магнетиках: структура доменної стінки, динаміка стінки.

  26. Гранична швидкість та маса доменної стінки.

  27. Динаміка доменної стінки в зовнішньому полі.



Змістовий модуль № 2: "Низьковимірний магнетизм та наномагнетизм "


Тема № 8. «Спостереження магнітних структур»


Лекція № 8. Спостереження магнітних структур (2 год).

Метод Біттера. Магніто-оптичні методи: магніто-оптичний ефект та його контраст, лазерна скануюча оптична мікроскопія. Електронна мікроскопія: трансмісійна, на відбитих електронах, скануюча тунельна.

^ Завдання для самостійної роботи: (3 год).

Робота над лекційним матеріалом з конспектом та рекомендованою літературою, виконання домашнього завдання.

^ Рекомендована література: [1,4,6].


Лекція № 9. Спостереження магнітних структур. Методи з часовим розділенням. (2 год).

Магнітна силова мікроскопія, рентгенівська мікроскопія. Просторова роздільна здатність різних методів. Методи з часовим розділенням: обмеження звичайних камер, стробоскопічні методи, pump-probe експерименти.

^ Завдання для самостійної роботи: (3 год).

Робота над лекційним матеріалом з конспектом та рекомендованою літературою, виконання домашнього завдання.

^ Рекомендована література: [1,4].


Тема № 9. «Магнітні солітони»


Лекція № 10. Магнітні солітони. Одновимірні солітони (2 год).

Динамічні солітони: інтеграли руху, одно- і двопараметричні солітони. Топологічні солітони: гомотопічні відображення. Приклади одновимірних солітонів: кінк, одно- і двопараметричні рухомі солітони.

^ Практичне заняття. Магнітні солітони. (2 год).

Одновимірні магнітні солітони: структура, динаміка.

Завдання для самостійної роботи: (4 год).

Робота над лекційним матеріалом з конспектом та рекомендованою літературою, опрацювання семінарських занять, виконання домашнього завдання.

^ Рекомендована література: [2,3].


Лекція № 11. Дво- і тривимірні магнітні солітони (2 год).

Двовимірні солітони в ізотропному, легкоосьовому та легкоплощинному феромагнетиках: топологічні властивості, структура. Приклади: солітон Белавіна-Полякова, магнонні краплі, вихори. Тривимірні солітони в феромагнетиках: топологічні властивості, структура. Приклади.

^ Практичне заняття. Магнітні солітони. (2 год).

Одновимірні магнітні солітони: структура, динаміка.

Завдання для самостійної роботи: (4 год).

Робота над лекційним матеріалом з конспектом та рекомендованою літературою, опрацювання семінарських занять, виконання домашнього завдання.

^ Рекомендована література: [1,2].


Тема № 10. «Наномагнетики і наномагнетизм»


Лекція № 12. Наномагнетики і наномагнетизм (2 год).

Напрямки в наномагнетизмі: супермагніти, накопичувачі пам'яті, спінові транзистори, магнітна оперативна пам'ять, спіновий кубіт. Магніто-резестивні ефекти. Методи виготовленні наномагнетиків: літографічні, хімічні, гібрідні, віртуальні. Нанобіомагнетики.

^ Завдання для самостійної роботи: (4 год).

Робота над лекційним матеріалом з конспектом та рекомендованою літературою, опрацювання семінарських занять, виконання домашнього завдання.

^ Рекомендована література: [1,4,10–12].


Тема № 11. «Вихори в наномагнетиках»


Лекція № 13. Вихори в наномагнетиках (2 год).

Рівноважні структури в наномагнетиках: енергія наночастинки, рівноважні структури в нанодиску. Структура вихорів. Керування полярністю вихору: перемикання полярності магнітними полями та струмами. Керування кіральністю вихору.

^ Практичне заняття. Вихори в наномагнетиках (2 год).

Дослідження структури та динаміки магнітних вихорів.

Завдання для самостійної роботи: (4 год).

Робота над лекційним матеріалом з конспектом та рекомендованою літературою, опрацювання семінарських занять, виконання домашнього завдання.

^ Рекомендована література: [1,4,11].


Тема № 12. «Ультрашвидка динаміка намагніченості в наночастинках»


Лекція № 14. Ефект перемикання полярності вихору і точка Блоха (2 год).

Механізми перемагнічування наноточок і нанодротів. Динаміка перемикання намагніченості в магнітному вихорі під впливом різноманітних полів. Магнітні краплі в нанодротах. Мікромагнітні сінгулярності: лінія Блоха та точка Блоха. Топологія та структура точки Блоха, динаміка точки Блоха в ЦМД та наночастинці, спостереження.

^ Практичне заняття. Мікромагнітні моделювання (2 год).

Сучасні пакети комп’ютерного мікрмагнітного моделювання. Приклади розв’язування задач мікромагнетизму за допомогою мікромагнітного моделювання.

^ Завдання для самостійної роботи: (4 год).

Робота над лекційним матеріалом з конспектом та рекомендованою літературою, опрацювання семінарських занять, виконання домашнього завдання.

^ Рекомендована література: [1,3,4,11,12].


Лекція № 15. Спін-залежні динамічні явища в феромагнетиках (2 год).

Явище гігантського магнітоопору. Ефект спінового крутильного моменту та спін-залежна динаміка намагніченості в наноструктурах. Наноосцилятори. Динаміка магнітного вихору під дією спінового струму, виникнення надструктур.

^ Завдання для самостійної роботи: (4 год).

Робота над лекційним матеріалом з конспектом та рекомендованою літературою, опрацювання семінарських занять, виконання домашнього завдання.

^ Рекомендована література: [1,4,11,12].


****************************************************


Модульний контроль №2

Контрольні запитання.

  1. Магніто-оптичні методи спостереження магнітних структур.

  2. Методи спостереження магнітних структур за допомогою електронної мікроскопії.

  3. Методи магнітосилової мікроскопії спостереження магнітних структур.

  4. Методи рентгенівської мікроскопії спостереження магнітних структур.

  5. Методи спостереження магнітних структур з часовим розділенням.

  6. Одновимірні динамічні магнітні солітони: інтеграли руху, одно- і двопараметричні солітони. Приклади.

  7. Одновимірні топологічні магнітні солітони. Гомотопічні відображення. Приклади.

  8. Двовимірні солітони в ізотропному феромагнетику. Солітон Белавіна-Полякова.

  9. Двовимірні солітони в легкоосьовому феромагнетику. Магнонні краплі.

  10. Двовимірні солітони в легкоплощинному феромагнетику. Магнітні вихори.

  11. Тривимірні солітони в феромагнетиках: топологічні властивості, структура. Приклади.

  12. Напрямки в наномагнетизмі: супермагніти, накопичувачі пам'яті, спінові транзистори.

  13. Магнітна оперативна пам'ять, спіновий кубіт.

  14. Магніто-резестивні ефекти.

  15. Методи виготовленні наномагнетиків: літографічні, хімічні, гібрідні, віртуальні.

  16. Нанобіомагнетики.

  17. Рівноважні структури в наномагнетиках: енергія наночастинки, рівноважні структури в нанодиску.

  18. Магнітні вихори в наномагнетиках: структура, динаміка. Керування полярністю вихору: перемикання полярності магнітними полями та струмами. Керування кіральністю вихору.

  19. Мікромагнітні сінгулярності: лінія Блоха та точка Блоха. Топологія та структура точки Блоха.

  20. Динаміка точки Блоха в ЦМД та наночастинці, спостереження.

  21. Явище гігантського магнітоопору.

  22. Ефект спінового крутильного моменту та спін-залежна динаміка намагніченості в наноструктурах. Наноосцилятори.

  23. Динаміка магнітного вихору під дією спінового струму, виникнення надструктур.



Організація самостійної роботи студентів


Перелік питань змістових модулів, винесених на самостійну роботу:



  • Змістовий модуль № 1, тема № 6.

    • Тензор високочастотної магнітної сприйнятливості феромагнетика [3, стор. 60-62].

    • Затухання спінових хвиль [3, стор. 64-68].




  • Змістовий модуль № 2, тема № 12.

    • Мікромагнітні моделювання в пакеті OOMMF [11].



Підсумковий контроль – іспит.


Перелік джерел інформації


а) основна література:

  1. J. Stöhr and H. C. Siegmann, Magnetism: From Fundamentals to Nanoscale Dynamics, Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2006.

  2. А. И. Ахиезер, В. Г. Барьяхтар, С. В. Пелетминский, Спиновые волны. – М.:Наука, 1967.

  3. А. М. Косевич, Б. А. Иванов, А. С. Ковалев, Нелинейные волны намагниченности. Динамические и топологические солитоны. Киев, 1983.


б) додаткова література

  1. A. Hubert and R. Schafer, Magnetic domains: the analysis of magnetic microstructures, Springer-Verlag, 2000.

  2. A. Aharoni, Introduction to the theory of Ferromagnetism, Oxford University Press, 1996.

  3. Е. С. Боровик, В. В. Еременко, А. С. Мильнер, Лекции по магнетизму, М.: 2005

  4. С. В. Вонсовский, Магнетизм. М., Наука, 1971

  5. О. В. Третяк, В. А. Львов, О. В. Барабанов, Фізичні основи спінової електроніки, К., 2002.

  6. Маттис Д., Теория магнетизма, М., 1967

  7. Denny D. Tang, Yuan-Jen Lee, "Magnetic Memory: Fundamentals and Technology", Cambridge University Press, 2010

  8. Alberto P. Guimaraes, "Principles of Nanomagnetism", Series: NanoScience and Technology, Springer, 2009.

  9. Sellmyer, D., Skomski, R. Advanced Magnetic Nanostructures, Springer, 2006.

в) джерела іnternet

  1. The Object Oriented MicroMagnetic Framework (OOMMF) project at ITL/NIST. http://math.nist.gov/oommf/






Скачати 217.03 Kb.
Дата конвертації29.12.2012
Розмір217.03 Kb.
ТипМетодичні рекомендації
Додайте кнопку на своєму сайті:
uad.exdat.com


База даних захищена авторським правом ©exdat 2000-2012
При копировании материала укажите ссылку
звернутися до адміністрації
Документи