Tópicos de materia condensada, ciencia de materiales y nanociencia

Correlativas: Mecánica cuántica, Mecánica estadística y Seminario de física del estado sólido.

Se dicta en el segundo cuatrimestre de cada año.

Programa

Se marcan con * los tópicos que no se incluyen dentro de los contenidos básicos,  siendo éstos optativos a criterio del docente.

1) Introducción a la Ciencia de Materiales:

Tipos de materiales y problemas y fenómenos asociados. Aspectos fundamentales y propiedades.

Tipos de enlace y escalas de energía. Potencial de van der Waals, Lennard-Jones, enlaces covalentes e iónicos, repulsión de esferas rígidas, energía dipolar; interacción de intercambio y magnetismo. Fuerza de Casimir. Puentes de Hidrogeno.

Estructura cristalina. Microestructura. Fases, correlaciones espaciales, ruptura de simetría y rigidez, dislocaciones. Orden a escala atómica y nanométrica.

Síntesis y caracterización de materiales. Métodos físicos y químicos. Técnicas avanzadas de caracterización: técnicas por imágenes y técnicas espectroscópicas.

2) Estructura y defectos en materiales:

2.1. Estructura: líquidos y gases, sólidos cristalinos; simetría y estructura cristalina, cristales líquidos, vidrios. Estructuras no-conmensuradas, cuasi-cristales; orden magnético, orden de carga. Sistemas fractales. Sistemas nanoestructurados. Biopolímeros. Métodos experimentales para la caracterización de materiales: espectroscopías y técnicas por imágenes, difracción de rayos X, neutrones, electrones, STM, “scattering” inelástico.

2.2: Defectos en cristales y defectos topológicos. Dislocaciones, disclinaciones, vacancias, superficies, vórtices, bordes de grano, maclas. Magnones, fonones, plasmones, excitaciones fraccionarias, Skirmiones. Ejemplos y medición de excitaciones: Scattering inelástico, Raman, STS, EPR. 

2.3 - Introducción a las fases líquido-cristalinas, nemático, sméctico, colestérico, etc. Transición nemático/isotrópico. Distorsiones y defectos topológicos en cristales líquidos.  Transición sméctico/nemático. Propiedades de cristales líquidos.  Líquidos cristalinos poliméricos.

*Transiciones de Kosterlitz-Thouless. *Fusión  mediada por dislocaciones. *Sistemas ordenados de excitaciones topológicas.

3) Dispositivos semiconductores, metales reales, y superconductores.

3.1 - Introducción: estructuras periódicas; repaso de bandas electrónicas de energía y “gaps” electrónicos. Conducción en semiconductores intrínsecos y extrínsecos; aisladores.

3.2– Dispositivos Semiconductores. Junturas p-n con y sin sesgo.  Dispositivos basados en junturas: LEDs, transistores, transistores de efecto de campo, MOSFET.  MBE y heterojunturas semiconductoras. Efectos de superficie: espesor de las barreras Schottky. Micro y nanomáquinas.

3.3 - Metales reales: Propiedades de los metales y superficies de Fermi; determinación experimental de las superficies de Fermi. Efecto de las correlaciones electrónicas. Líquidos de Fermi y no-líquidos de Fermi.

3.4 - Superconductividad. Repaso de superconductividad. Coherencia macroscópica. Superconduc-tividad convencional vs. no-convencional.  Superconductores de alta temperatura crítica. Fenomenología y alternativas a BCS.  Materia de vórtices.  Experimentos en superconductores no-convencionales. Aplicaciones.

*Transición de Mott. *Sistemas de Fermiones pesados.*Superconductores triplete. *Junturas Josephson, aplicaciones. *Fases superfluídas en He3.

4) Nanofísica y nanomateriales:

4.1 - Introducción: efectos clásicos y cuánticos en la nanoescala: relaciones de escala, fuerzas viscosas, fuerzas de fricción a escala molecular.

4.2 - Física de Superficies: introducción: superficies e interfases, superficies limpias, técnicas de caracterización. Estructura de superficies: notaciones, reconstrucciones, monocapas. Termodinámica y dinámica de superficies. Propiedades mecánicas y eléctricas de superficies.

4.3 – Sistemas electrónicos de baja dimensión: efecto Hall cuántico y cuántico fraccionario en heteroestructuras. Líquidos de Luttinger. Aisladores topológicos. Fullerenos. Puntos cuánticos; alambres cuánticos.  Grafeno.

*Teorema de Mermin-Wagner. *Transiciones topológicas tipo KT.  *Películas de Helio superfluido.

4.4 - Física Experimental de la nanofabricación: tecnología de silicio: los modelos tecnológicos de INTEL-IBM. Moldeado y replicación de un patrón nanoestructurado, máscaras nanométricas y fotolitografía. “Etching” de silicio. Métodos físicos y químicos para la deposición de películas.Generación de superficies ordenadas en la nanoescala. Litografía óptica y por rayos-X. Litografía electrónica. Métodos de “Scanning Probe”: construcción átomo por átomo. Arreglos nanoestructurados con Microscopía por efecto túnel (STM) como prototipo de “ensamble” molecular y mediante Microscopía de Fuerza Atómica (AFM).

5) Magnetismo y Materiales Magnéticos:

Interacciones de intercambio: ferro-, ferri- y antiferro-magnetos; sistemas helicoidales.  Anisotropía magnética y sistemas modelo. Sistemas magnéticos duros y blandos; aplicaciones. Interacciones dipolares y efecto demagnetizante. Dominios magnéticos. Interacciones competitivas: frustración y vidrios de spin. Magnetismo en sistemas de baja dimensionalidad. Multicapas. Sesgamiento por intercambio. Magnetoresistencia gigante. Válvulas de spin. Sistemas de nanopartículas magnéticas. Aplicaciones. Ejemplos y técnicas experimentales para la medición de sistemas magnéticos.

*Producción de campos magnéticos. *microscopio de fuerza Lorentz, *difracción de neutrones, *métodos magneto-ópticos.

6) Técnicas de caracterización:

Espectroscopías tradicionales: XPS, Raman, UV. Nanoscopías: AFM, STM, TEM, SEM. Técnicas basadas en el empleo de luz de sincrotrón: absorción, dispersión y emisión de rayos X. El laboratorio de luz sincrotrón.

* Técnicas basadas en la dispersión de rayos X: SAXS, DSXAS, GISAXS. *Técnicas basadas en la absorción y emisión de rayos X: XANES, EXAFS, DXAS, XMCD, XES, RIXS, ARPES.

Bibliografia:

Básica

- N. W. Ashcroft y N. D. Mermin, Solid State physics, Brooks Cole (1976).

- J. Hook y H. Hall, Solid state physics, Wiley (1995).

- P. Chaikin y T. Lubensky, Principles of condensed matter physics. Cambridge University Press (2000).

- F. Duan y J. Guojun, Introduction to condensed matter physics, World Scientific (2005).

- Edward L Wolf, Nanophysics and Nanotechnology. An Introduction to Modern concepts in Nanoscience. WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA (2004).

- Charles P. Pool Jr. and Frank J. Owens. Introduction to Nanotechnology. John Wiley and Sons Inc. Publications. 2003.

- Characterization of Nanophase Materials. Zhong Lin Wang Ed. Wiley VCH Verlag GmbH 2000.

Específica

R. Jones, Soft Condensed Matter. Oxford University Press (2002).

S. Blundell, Magnetism in Condended Matter. Oxford University Press (2001).

J. Annett, Superconductivity and Superfluidity, Oxford University Press (2004).

M. Tinkham, An introduction to Superconductivity, Dover (2004).

J.M. Ramallo López and F.G. Requejo. CHAPTER 7: X-ray absorption fine structure studies of fundamental properties of nanostructures in Recent Advances in Nanoscience,  Marcelo M. Mariscal and Sergio A. Dassie. Eds. Research Signpost, Kerala, India (2007).

Springer Handbook of Nanotechnology. Bharat Bhushan Ed. Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2004.

Lectura Complementaria

-Encyclopedia of Condensed Matter Physics, Franco Bassani, Gerald L Liedl, Peter Wyder, Elsevier, 2005 (este libro cuesta USD 2000 pero se puede bajar de Gigapedia).

-Condensed-Matter and Materials Physics. Basic Research for Tomorrow’s Technology, Committee on Condensed-Matter and Materials Physics. Board on Physics and Astronomy. Commission on Physical Sciences, Mathematics, and Applications. National Research Council, USA. NATIONAL ACADEMY PRESS, 1999.

M. I. Kaganov, Electrons, Phonons, Magnons. Mir Publishers, First published 1981.

Distribución Horaria

4 horas semanales de teoría + 4 horas semanales de práctica (problemas y experimentos).

Evaluación

Aprobación con examen final.