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纳米科学的教学大纲（MTQP08）
干扰。衍射。极化。量子力学：假设；波粒偶性。换向者和海森伯格的不确定性原则。schrödinger方程（时间依赖和时间独立）。恰好可解决的系统：粒子中的盒子，谐波振荡器和氢原子。穿过障碍物。静电：高斯定律及其应用，拉普拉斯和泊松方程，边界价值问题。Magneto静态：Biot-Savart Law，Ampere定理。电磁诱导。标量和向量电势，麦克斯韦方程。热力学，热力学功能，热容量焓，熵的第一和第二定律。在固体，晶体结构中键合。勇敢的格子。米勒指数。相互晶格。布拉格的法律和申请；衍射和结构因子。弹性特性，声子，特定于晶格的热量。游离电子理论和电子特异性热。电导率和热导率的Drude模型。大厅效应和热电功率。电子运动以周期性潜力，固体理论：金属，绝缘子和半导体。电介质。铁电。磁性材料。超导率：I型和II型超导体。
教学大纲 - 量子
数值应用。• 掌握在各种实验情况下将电子视为准粒子的概念。• 能够根据实验情况决定哪种金属模型（德鲁德、索末菲和布洛赫模型）最合适。• 理解经验伪势、布洛赫波包、电子群速度、空穴、布洛赫振荡的概念。• 理解布洛赫电子的量子描述与电导率的宏观特性之间的关系以及杂质、电子-电子相互作用和电子-声子相互作用的作用。• 掌握功函数、接触偏置、界面极化电荷的肖特基模型以及流过结的电流建模的概念。• 理解驱动微电子和纳米电子设备的量子效应。• 能够通过与实验数据单位的严格联系，将理论物理的详细章节转化为具有合理物理意义的数值应用。这一目标将通过与课程和高级数值方法的实践练习的紧密重叠来实现。
M.Sc.材料科学（自支持） b''
Unit-1: Crystal Structure and Reciprocal lattice: Review of different kinds of matter-nature of bonding-Crystal structure – Bravais lattice – Unit cell, Wigner -Seitz cell- Index system for crystal planes – miller planes –point groups– space groups–screw axes–glide planes- concept of Reciprocal lattice – Brillouin zone of SC, BCC and FCC and its properties in reciprocal lattice – Fourier analysis of the basis – geometrical structure factor - interpretation of Bragg‟s equation Unit-2: Phonon Physics: Elastic Vibrations of one dimensional mono atomic lattice – vibrations of one-dimensional diatomic lattice – phonons momentum of phonons – phonon heat capacity and density of states – Debye and Einstein model of density of states – Anharmonic crystal interaction - thermal扩展 - 导热率 - UMKLAPP过程单元3：自由电子理论：Drude理论 - 一维盒中的自由电子气体 - 三维气体中的自由电子 - 状态的密度 - FD统计（无衍生） - k-空间和游离电子气体和自由电子热量 - 电子特定热量 - 电子和热电导率 - 电导率 - Wiedeman Franz Life
在不同汉密尔顿量和谱密度下对开放量子动力学进行有效的量子模拟
在研究各种量子系统时，对各种汉密尔顿量和谱密度的开放量子动力学进行模拟是普遍存在的。在量子计算机上，模拟一个 N 维量子系统只需要 log 2 N 个量子比特，因此与传统方法相比，在量子计算机中进行模拟可以大大降低计算复杂度。最近，提出了一种用于研究光合作用光收集的量子模拟方法 [npj Quantum Inf. 4, 52 (2018)]。在本文中，我们应用该方法模拟各种光合作用系统的开放量子动力学。我们表明，对于 Drude-Lorentz 谱密度，供体和受体团簇内分别具有强耦合的二聚化几何结构表现出显著提高的效率。我们还证明，当供体和受体团簇之间的能隙与谱密度的最优值匹配时，总能量传递可以得到优化。我们还研究了不同类型的浴（例如欧姆、亚欧姆和超欧姆谱密度）的影响。目前的研究表明，所提出的方法对于模拟光合作用系统的精确量子动力学具有普遍性。
单层石墨烯电极的分子连接中欧姆定律的分解
hm的定律，历史上有1个对电路至关重要的第一个数学关系，指出通过宏观材料的当前I与所施加的偏置电压V成正比。这是通过经验测量值的经验测量来支持的，这些电流和长度尺度在许多数量级上有所不同，并且绝大多数材料都具有。考虑到由于原子或离子在经典力学框架内的快速散射而导致的电子曲折运动中施加的电场引起的加速度，Drude Model 2成功地揭开了净电子漂移，平均速度与现场成比例，并因此是ohm ohm的第一个微观依据。在自由电子模型中考虑了费米统计数据，Sommerfeld 3能够对金属中的欧姆定律提供第一个量子机械依据。固体的量子理论将各种宏观固体的欧姆电导率与表征特定能带结构表征的带隙的（非）存在之间的差异。4取决于频带隙的存在和/或线性库比波响应理论5，6明确考虑实际带结构的明确考虑允许估计欧姆（也称为零偏置或线性电导率）g并提供微观材料为什么某些材料为导电者，某些半径和某些胰岛素是某些材料，某些材料是某些半径和某些岛化的。在1920年代，在量子力学的前夕，人们对欧姆定律产生了重新兴趣，欧姆定律被认为在原子量表上失败了。7电子在短距离上的运动是连贯的，与宏观材料中发生的不一致的电子碰撞形成了鲜明的对比，从而引起焦耳
![arxiv：2503.00169v1 [physics.optics] 2025年2月28日](/simg/9\958980efea57a01a345c5a8e193a6086783742dc.webp)
arxiv：2503.00169v1 [physics.optics] 2025年2月28日
在这项工作中，我们提出了一种使用傅立叶变换红外光谱法（FTIR）来确定薄超级传导膜的中红外折射率。尤其是，我们在波长范围为2.5至25 µm的波长范围内对10 nm厚的NBN和15 nm厚的MOSI膜进行了FTIR传播和反射测量，对应于12-120 THz或光子的频率50-500 MEV。To extract the mid-infrared refractive indices of the thin films from FTIR measure- ments, we used the Drude-Lorentz oscillator model to represent the dielectric functions of the films and implemented an optimization algorithm to fit these oscillator parameters, minimizing the error between the measured FTIR spectra and the simulated spectra calculated using the dielectric func- tions of the films.为了评估提取的介电函数的一致性，我们比较了从紫外线中这些介电功能到近红外波长的折射率值与使用光谱椭圆法分别测量的值。为了进一步验证，我们从其提取的Drude振荡器参数中计算出膜的薄片电阻，并与实验值进行了比较。可以扩展这种基于FTIR的折射率测量方法，以测量超过25 µm的波长的薄膜的折射率，这对于设计高效的光子探测器和光子设备非常有用，在中型和远足波长中具有增强的光学吸收。
融合二氧化硅
摘要：用超短激光脉冲对透明材料的受控处理需要详细而精确的了解，从激光能量沉积和材料内部能量转化到流体动力学弛豫和机械响应中的各种激光 - 物质相互作用机制。为了解决这个问题，我们首先基于飞秒泵和探针显微镜偏置镜开发了多时间的实验方法。泵是一个360-FS，1-μJ红外（1030 nm）激光脉冲，分开以提供515 nm的飞秒探头，并延迟可调节从飞秒到纳米秒的延迟。获得的时间分辨的阴影图像允许测量瞬态探针传输。然后，载体密度是通过使用Beer-Lambert Law和Drude模型方法来确定的，证明了大部分熔融二氧化硅内部略有临界等离子体的超快形成。并行，定量双折射图像通过使用光弹性定律来测量压力，从而通过发射GPA压力波的发射光弹性定律揭示了吸收的激光能量，这是激光脉冲后几百个picseconds。然后，使用多尺度型物理模型来解释实验观察结果，计算电子动力学，激光传播和流体动力响应。实验验证后，模拟允许确定局部基本材料特性（应力，密度和温度）的时间演变。我们的方法将来可以用来解释由超短激光脉冲引起的机械驱动的透明材料结构。实验和模拟结果的这种组合使我们能够定量讨论不同激光能量弛豫通道在发现整个相互作用情况的材料中的重要性。我们的模型预测20-GPA的最大初始应力载荷，最高晶格温度达到3.5 10 4K。我们还表明，通过发射弱冲击波，消散了总吸收激光能量的〜2％。
分形石墨烯贴片天线和太赫兹通信革命
摘要。分形天线已经并将继续受到未来无线通信的关注。这是因为它们具有宽频和多频带功能、分形几何结构驱动多个谐振的机会，以及能够制造更小更轻、元件更少、辐射元件增益更高的天线。由石墨烯制成的小尺寸（即微米和纳米级）和超高频（太赫兹或 THz 范围）分形天线有可能以前所未有的数据速率（即每秒约 10 12 比特）增强无线通信。分形石墨烯天线是一种用于 THz 频谱无线电通信的高频可调天线，可实现无线纳米网络等独特应用。这是因为（单层）石墨烯是碳的一个原子厚的二维同素异形体，具有已知的最高电导率，目前任何其他材料（包括金和银等金属）都无法提供这种电导率。因此，将石墨烯的特性与微米和纳米级分形的自近似特性相结合，有可能彻底改变通信，至少在近场（几米的数量级）低功耗系统。在本文中，我们考虑了与这种颠覆性新技术的开发相关的基本物理和一些主要数学模型，以便为那些从事当前和未来研究的人提供指导，分形石墨烯天线就是用于高要求应用的先进材料的一个例子。这包括一些由石墨烯组成的分形贴片天线产生的 THz 场模式的示例模拟，根据“Drude”模型，其电导率与频率的倒数成比例。还探索了使用石墨烯生成 THz 源的方法，该方法基于红外激光泵浦以感应 THz 光电流。
半导体bloch方程
物质的电动力描述需要构成方程，该方程将诱导的电荷ρ和半导体的电流密度j（或等效地为极化p，j = − p and p and p and p = - d iv p）to the elemagnetic finection e，b。在这方面的通用模型是Lorentz -oscillator和线性光学的Drude -Fre -Fre -Farrier模型。另一方面，对物质的非线性性质的描述主要使用电力轨道的功率序列扩展，但是在谐振或几乎谐振条件下，这种膨胀是不合适的。在某些情况下，新解决方案甚至可能“自发”在临界光线之上，并且可能导致第二次谐波产生，尽管不存在功率扩展（包括相对于光场的阶段）。因此，对半导体光学器件的现实描述需要适当地依赖光线，包括价 - 导导带持续状态，激子效应以及频带 - 效力动力学。这些现象是通过半导体bloch - 方程（SBE）始终描述的，而nowa-days成为半导体光学的标准模型。1在这种方法中，半导体对量子进行处理，从而导致一组极化和电子/孔分布函数的耦合的非线性差异方程（以此处将省略的高阶相关函数补充）。极化在（经典）麦克斯韦方程中充当源项。从这个意义上讲，SBE是一种半经典理论。[24K1]（卷2）。它成功涵盖了线性和非线性现象，例如泵 - 探针，四波混合或光子 - 回声实验，如参考文献中所述。SBE在推导和应用方面具有相当大的复杂性，因此，我们将仅给出其派生的“行人版本”和一些选定的应用程序。详细信息可以在Haug和Koch的TexBook [94H1]中找到。为SBE的见面介绍，例如Sch'afer和Wegener的书[02S1]。我们以三个步骤处理该问题，如图1。（a）首先，我们研究两个级别的共鸣附近原子的动力学，并得出光学Bloch方程。在此公式中，阻尼
Marco Bernardi
•2024年春季会议。西雅图，华盛顿州。 氧化物中强电子相互作用和转运的精确计算。 •2024年Paul Drude Institute的Grafox研讨会。 柏林，德国。 构建量子材料的计算工具箱：电子和自旋动力学的精确第一原理计算。 •2023材料科学与工程座谈会。 哥伦比亚大学，纽约。 构建量子材料的计算工具箱：电子和自旋动力学的精确第一原理计算。 •2023第35届电子结构方法最新发展的年度研讨会。 Merced，CA。 从第一原理中的电子 - 波相互作用和自旋动力学的进步。 •2023量子铸造研讨会。 加利福尼亚州圣塔芭芭拉加州大学。 电子和自旋动力学的精确第一原理计算：构建量子材料的工具箱。 •2023 Sanibel研讨会：自旋研讨会。 佛罗里达大学，佛罗里达大学。 理论和第一原理对自旋形成相互作用和自旋松弛的计算。 •2023第二量子在材料科学研讨会中。 nist，美国（虚拟）。 量子材料中电子和自旋动力学的第一原理计算的进步。 •2023年APS 3月会议。 拉斯维加斯，内华达州。 理论和第一原理对自旋形成相互作用和自旋松弛的计算。 •2023 SIAM计算科学与工程会议。 阿姆斯特丹，荷兰。 坎昆，墨西哥。西雅图，华盛顿州。氧化物中强电子相互作用和转运的精确计算。•2024年Paul Drude Institute的Grafox研讨会。柏林，德国。构建量子材料的计算工具箱：电子和自旋动力学的精确第一原理计算。•2023材料科学与工程座谈会。哥伦比亚大学，纽约。构建量子材料的计算工具箱：电子和自旋动力学的精确第一原理计算。•2023第35届电子结构方法最新发展的年度研讨会。Merced，CA。从第一原理中的电子 - 波相互作用和自旋动力学的进步。•2023量子铸造研讨会。加利福尼亚州圣塔芭芭拉加州大学。电子和自旋动力学的精确第一原理计算：构建量子材料的工具箱。•2023 Sanibel研讨会：自旋研讨会。佛罗里达大学，佛罗里达大学。理论和第一原理对自旋形成相互作用和自旋松弛的计算。•2023第二量子在材料科学研讨会中。nist，美国（虚拟）。量子材料中电子和自旋动力学的第一原理计算的进步。•2023年APS 3月会议。拉斯维加斯，内华达州。理论和第一原理对自旋形成相互作用和自旋松弛的计算。•2023 SIAM计算科学与工程会议。阿姆斯特丹，荷兰。坎昆，墨西哥。相互作用的电子，声子和激子的非平衡动力学来自第一原理。•2023第五功能氧化物薄膜会议。第一原理计算复杂氧化物中强电子相互作用。•2022维也纳量子研讨会讲座。维也纳，奥地利。 精确和简约的计算量子物理学：从材料中的电子到量子电路。 •2022第23个亚洲第一原理电子结构计算的研讨会（全体会议）。 虚拟。 第一原理电子 - phonon相互作用的边界：弱到弱的，相关，跨性和数据驱动。 •2022苏黎世ETH苏黎世关于固体缺陷第一原理建模的研讨会。 苏黎世，瑞士。 预测由极性和缺陷控制的电子相互作用和运输。 •2022 ICTP热传输研讨会。 虚拟。 从第一原理计算电子相互作用和动力学方面的进步。 •2022 IPAM关于量子力学模型降低的研讨会。 美国加利福尼亚州洛杉矶。 精确的量子机械计算，对凝分物质中电子相互作用和动力学的计算。 •2022年春季会议。 檀香山HI，美国。 相互作用的电子，声子和激子的非平衡动力学来自第一原理。 •2022 ACS春季会议。 美国加利福尼亚州圣地亚哥。 量子材料中电子动力学的精确第一原理工具。 •2021年量子材料和设备研讨会，哈佛大学。 虚拟。 虚拟。维也纳，奥地利。精确和简约的计算量子物理学：从材料中的电子到量子电路。•2022第23个亚洲第一原理电子结构计算的研讨会（全体会议）。虚拟。第一原理电子 - phonon相互作用的边界：弱到弱的，相关，跨性和数据驱动。•2022苏黎世ETH苏黎世关于固体缺陷第一原理建模的研讨会。苏黎世，瑞士。预测由极性和缺陷控制的电子相互作用和运输。•2022 ICTP热传输研讨会。虚拟。从第一原理计算电子相互作用和动力学方面的进步。•2022 IPAM关于量子力学模型降低的研讨会。美国加利福尼亚州洛杉矶。 精确的量子机械计算，对凝分物质中电子相互作用和动力学的计算。 •2022年春季会议。 檀香山HI，美国。 相互作用的电子，声子和激子的非平衡动力学来自第一原理。 •2022 ACS春季会议。 美国加利福尼亚州圣地亚哥。 量子材料中电子动力学的精确第一原理工具。 •2021年量子材料和设备研讨会，哈佛大学。 虚拟。 虚拟。美国加利福尼亚州洛杉矶。精确的量子机械计算，对凝分物质中电子相互作用和动力学的计算。•2022年春季会议。檀香山HI，美国。相互作用的电子，声子和激子的非平衡动力学来自第一原理。•2022 ACS春季会议。美国加利福尼亚州圣地亚哥。 量子材料中电子动力学的精确第一原理工具。 •2021年量子材料和设备研讨会，哈佛大学。 虚拟。 虚拟。美国加利福尼亚州圣地亚哥。量子材料中电子动力学的精确第一原理工具。•2021年量子材料和设备研讨会，哈佛大学。虚拟。虚拟。量子材料中电子动力学的新型计算工具。•2021夫人春季会议。使用新型原理计算方法中的过渡金属氧化物中的电荷传输。•2021年APS 3月会议。虚拟。第一原理的耦合电子，声子和激子的超快动力学。•2021 Photon Science研讨会，SLAC / Stanford。虚拟。第一原理的耦合电子，声子和激子的超快动力学。•2021年伯克利激动国家会议，加州大学伯克利分校。虚拟。第一原理的耦合电子，声子和激子的超快动力学。