ΣΧΟΛΗ

ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ

ΤΜΗΜΑ

ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ

ΕΠΙΠΕΔΟ ΣΠΟΥΔΩΝ

Προπτυχιακό

ΚΩΔΙΚΟΣ ΜΑΘΗΜΑΤΟΣ

ECE_ΓΚ709

ΕΞΑΜΗΝΟ ΣΠΟΥΔΩΝ

7^ο

ΤΙΤΛΟΣ ΜΑΘΗΜΑΤΟΣ

Εισαγωγή στην Κβαντική Ηλεκτρονική

ΑΥΤΟΤΕΛΕΙΣ ΔΙΔΑΚΤΙΚΕΣ ΔΡΑΣΤΗΡΙΟΤΗΤΕΣ
σε περίπτωση που οι πιστωτικές μονάδες απονέμονται σε διακριτά μέρη του μαθήματος π.χ. Διαλέξεις, Εργαστηριακές Ασκήσεις κ.λπ. Αν οι πιστωτικές μονάδες απονέμονται ενιαία για το σύνολο του μαθήματος αναγράψτε τις εβδομαδιαίες ώρες διδασκαλίας και το σύνολο των πιστωτικών μονάδων

ΕΒΔΟΜΑΔΙΑΙΕΣ
ΩΡΕΣ ΔΙΔΑΣΚΑΛΙΑΣ

ΠΙΣΤΩΤΙΚΕΣ ΜΟΝΑΔΕΣ

Διαλέξεις

3

Προσθέστε σειρές αν χρειαστεί. Η οργάνωση διδασκαλίας και οι διδακτικές μέθοδοι που χρησιμοποιούνται περιγράφονται αναλυτικά στο 4.

5

ΤΥΠΟΣ ΜΑΘΗΜΑΤΟΣ

Υποβάθρου , Γενικών Γνώσεων, Επιστημονικής Περιοχής, Ανάπτυξης Δεξιοτήτων

Επιστημονικής Περιοχής

ΠΡΟΑΠΑΙΤΟΥΜΕΝΑ ΜΑΘΗΜΑΤΑ:

Σύγχρονη Φυσική

Συνήθεις Διαφορικές Εξισώσεις και Μιγαδικές Συναρτήσεις

ΓΛΩΣΣΑ ΔΙΔΑΣΚΑΛΙΑΣ και ΕΞΕΤΑΣΕΩΝ:

Ελληνικά

ΤΟ ΜΑΘΗΜΑ ΠΡΟΣΦΕΡΕΤΑΙ ΣΕ ΦΟΙΤΗΤΕΣ ERASMUS

ΝΑΙ (στην Ελληνική)

ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗ ΣΕΛΙΔΑ ΜΑΘΗΜΑΤΟΣ (URL)

http://www.ece.upatras.gr/index.php/el/undergraduate/undercourses.html

Μαθησιακά Αποτελέσματα

Περιγράφονται τα μαθησιακά αποτελέσματα του μαθήματος οι συγκεκριμένες  γνώσεις, δεξιότητες και ικανότητες καταλλήλου επιπέδου που θα αποκτήσουν οι φοιτητές μετά την επιτυχή ολοκλήρωση του μαθήματος.

Συμβουλευτείτε το Παράρτημα Α (ξεχωριστό αρχείο στο e-mail)

·     Περιγραφή του Επιπέδου των Μαθησιακών Αποτελεσμάτων για κάθε ένα κύκλο σπουδών σύμφωνα με Πλαίσιο Προσόντων του Ευρωπαϊκού Χώρου Ανώτατης Εκπαίδευσης

·     Περιγραφικοί Δείκτες Επιπέδων 6, 7 & 8 του Ευρωπαϊκού Πλαισίου Προσόντων Διά Βίου Μάθησης

και Παράρτημα Β

·     Περιληπτικός Οδηγός συγγραφής Μαθησιακών Αποτελεσμάτων

Μαθησιακά Αποτέλεσμα : 

Αυτό το μάθημα παρουσιάζει τις βασικές αρχές της κβαντικής μηχανικής και μελετά συγκεκριμένες εφαρμογές, με ιδιαίτερη έμφαση σε θέματα που ενδιαφέρουν τους φοιτητές ηλεκτρολόγων μηχανικών και τεχνολογίας υπολογιστών. Το μάθημα αναπτύσσει την κβαντομηχανική βάση για σύγχρονες ηλεκτρονικές διατάξεις και κβαντική τεχνολογία, για παράδειγμα MEMS, laser, τρανζίστορ, LED, κβαντικά φαινόμενα μεγέθους σε FET, οπτικές επικοινωνίες, νανοδομές ημιαγωγών κ.λπ.

Με την ολοκλήρωση του µαθήµατος οι φοιτητές θα είναι σε θέση να:

1. Λύνουν την χρονικά ανεξάρτητη εξίσωση του Schrödinger σε απλά δυναμικά

2. Αναλύουν σε βάθος τη συμπεριφορά ενός κβαντικού αρμονικού ταλαντωτή και να την εφαρμόζουν σε πολλά προβλήματα

3. Κατανοούν την χρονικά εξαρτημένη εξίσωση Schrödinger και την υπέρθεση καταστάσεων

4. Κατανοούν τους κβαντικούς τελεστές και να υπολογίζουν μέσες (αναμενόμενες) τιμές φυσικών μεγεθών

5. Υπολογίζουν τους συντελεστές διέλευσης και ανάκλασης σε διάφορα προβλήματα κβαντικής σήραγγας, συμπεριλαμβανομένου του συντονιστικού φαινομένου σήραγγας σε νανοδομές ημιαγωγών

6. Κατανοούν το φορμαλισμό Dirac της κβαντικής μηχανικής και να εκτελούν υπολογισμούς χρησιμοποιώντας bra-ket

7. Εξάγουν προσεγγιστικές λύσεις της χρονικά ανεξάρτητης εξίσωσης Schrödinger χρησιμοποιώντας θεωρία διαταραχών πρώτης και δεύτερης τάξης

8. Κατανοήσουν και να είναι σε θέση να εφαρμόσουν τη θεωρία των εκφυλισμένων διαταραχών

9. Κατανοούν το μοντέλο Kronig-Penney και το μοντέλο ισχυρής δέσμευσης και να το εφαρμόζουν σε στερεά και συγκεκριμένα σε ημιαγωγούς

10. Κατανοούν τη χρονικά εξαρτημένη θεωρία διαταραχών και τον χρυσό κανόνα του Fermi και να τον εφαρμόζουν σε συγκεκριμένα προβλήματα

11. Επιλύουν την εξίσωση του Schrödinger για το άτομο υδρογόνου και άλλα τρισδιάστατα προβλήματα κατάλληλα για νανοδομές ημιαγωγών

12. Κατανοούν το spin και τη δομή των qubits

13. Κατανοούν και να περιγράφουν αναλυτικά τις ημιαγώγιμες νανοδομές

14. Κατανοούν τα laser

15. Κατανοούν βασικά στοιχεία κβαντικής τεχνολογίας

Γενικές Ικανότητες

Λαμβάνοντας υπόψη τις γενικές ικανότητες που πρέπει να έχει αποκτήσει ο πτυχιούχος (όπως αυτές αναγράφονται στο Παράρτημα Διπλώματος και παρατίθενται ακολούθως) σε ποια / ποιες από αυτές αποσκοπεί το μάθημα;.

Αναζήτηση, ανάλυση και σύνθεση δεδομένων και πληροφοριών, με τη χρήση και των απαραίτητων τεχνολογιών

Προσαρμογή σε νέες καταστάσεις

Λήψη αποφάσεων

Αυτόνομη εργασία

Ομαδική εργασία

Εργασία σε διεθνές περιβάλλον

Εργασία σε διεπιστημονικό περιβάλλον

Παράγωγή νέων ερευνητικών ιδεών

Σχεδιασμός και διαχείριση έργων

Σεβασμός στη διαφορετικότητα και στην πολυπολιτισμικότητα

Σεβασμός στο φυσικό περιβάλλον

Επίδειξη κοινωνικής, επαγγελματικής και ηθικής υπευθυνότητας και ευαισθησίας σε θέματα φύλου

Άσκηση κριτικής και αυτοκριτικής

Προαγωγή της ελεύθερης, δημιουργικής και επαγωγικής σκέψης

Χρονικά εξαρτημένη και χρονικά ανεξάρτητη εξίσωση Schrödinger, κυματοσυνάρτηση, τελεστές, μέσες (αναμενόμενες) τιμές, πλάτος πιθανότητας και ρεύμα πυκνότητας πιθανότητας, υπερθέσεις καταστάσεων, αρχή αβεβαιότητας.

Δέσμιες καταστάσεις σε απλά και σύνθετα μονοδιάστατα πηγάδια δυναμικού και εφαρμογές με ημιαγώγιμες νανοδομές και ετεροδομές.

Σκέδαση σε μονοδιάστατες κβαντικές δομές. Η μέθοδος του πίνακα διάδοσης. Εφαρμογές σε νανοδομές ημιαγωγών.

Περιοδικά δυναμικά και εφαρμογές σε στερεά με έμφαση στους ημιαγωγούς. Η μέθοδος της ισχυρής δέσμευσης, εφαρμογή της σε μια απλό μονοδιάστατο πλέγμα.

Αξιώματα κβαντικής μηχανικής, φορμαλισμός Dirac και περιγραφή με μήτρες.

Αρμονικός ταλαντωτής και εφαρμογές του. Η αλγεβρική (τελεστική) λύση του αρμονικού ταλαντωτή. Τελεστές δημιουργίας και καταστροφής. Αλγεβρική κατασκευή των κυματοσυναρτήσεων. Τεχνικές υπολογισμού μέσων τιμών και στοιχείων μήτρας. Κβάντωση του κυκλώματος LC. Κβάντωση του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου – φωτόνια. Σύμφωνες καταστάσεις. Κίνηση ελευθέρου ηλεκτρονίου σε μαγνητικό πεδίο, καταστάσεις Landau, σύνδεση με ημικλασική τροχιά.

Κβαντικός περιορισμός σε τρεις διαστάσεις, διαχωρίσιμα δυναμικά. Ηλεκτρόνιο σε κεντρικό δυναμικό και εφαρμογή σε σφαιρικό «σκληρό» δυναμικό και σε πεπερασμένο σφαιρικό δυναμικό. Λύση για υδρογονοειδή συστήματα και εφαρμογές σε υδρογονικές ατέλειες σε ημιαγωγούς και εξιτόνια σε ημιαγωγούς. Στροφορμή και σπιν.

Ημιαγώγιμα κβαντικά πηγάδια, κβαντικά νήματα και κβαντικές τελείες.

Η χρονικά ανεξάρτητη θεωρία διαταραχών μη-εκφυλισμένης στάθμης και εφαρμογές της. Παραδείγματα: φαινόμενο Stark σε κβαντικό πηγάδι και ο μετατοπισμένος αρμονικός ταλαντωτής. Η χρονικά ανεξάρτητη θεωρία διαταραχών εκφυλισμένης στάθμης και εφαρμογές της. Η ξαφνική προσέγγιση.

Χρονικά ανεξάρτητη θεωρία διαταραχών και οι εφαρμογές της. Χρυσός κανόνας του Fermi.

Κβαντικό σύστημα δύο επιπέδων και αλληλεπίδραση φωτός με κβαντικά συστήματα. Αυθόρμητη και εξαναγκασμένη εκπομπή, συντελεστές Einstein. Ασύμφωνη και σύμφωνη δυναμική σε ένα σύστημα δύο επιπέδων. Εφαρμογές σε laser και κβαντική τεχνολογία στη νανοκλίμακα.

ΤΡΟΠΟΣ ΠΑΡΑΔΟΣΗΣ
Πρόσωπο με πρόσωπο, Εξ αποστάσεως εκπαίδευση κ.λπ.

Πρόσωπο με πρόσωπο

ΧΡΗΣΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΩΝ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΑΣ ΚΑΙ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ
Χρήση Τ.Π.Ε. στη Διδασκαλία, στην Εργαστηριακή Εκπαίδευση, στην Επικοινωνία με τους φοιτητές

Η διδασκαλία του μαθήματος γίνεται τόσο με την χρήση πίνακα όπου αναλύεται διεξοδικά η θεωρία, όσο και με χρήση ΗΥ και σχετικού πίνακα προβολής όπου γίνονται υπολογιστικά εργαστήρια επίδειξης και χρησιμοποιούνται είτε ελεύθερα διαθέσιμα υπολογιστικά προγράμματα, είτε υπολογιστικά προγράμματα που έχει φτιάξει ο διδάσκοντας, για την επίλυση των σχετικών εξισώσεων και την οπτικοποίηση των αποτελεσμάτων σε σχήματα. Τα προγράμματα αυτά θα εξηγούνται στους φοιτητές και θα είναι διαθέσιμα στους φοιτητές για τη χρήση τους. Χρήση του eclass για επικοικωνία με τους φοιτητές και υποστήριξη της διδασκαλίας.

ΟΡΓΑΝΩΣΗ ΔΙΔΑΣΚΑΛΙΑΣ

Περιγράφονται αναλυτικά ο τρόπος και μέθοδοι διδασκαλίας.

Διαλέξεις, Σεμινάρια, Εργαστηριακή Άσκηση, Άσκηση Πεδίου, Μελέτη & ανάλυση βιβλιογραφίας, Φροντιστήριο, Πρακτική (Τοποθέτηση), Κλινική Άσκηση, Καλλιτεχνικό Εργαστήριο, Διαδραστική διδασκαλία, Εκπαιδευτικές επισκέψεις, Εκπόνηση μελέτης (project), Συγγραφή εργασίας / εργασιών, Καλλιτεχνική δημιουργία, κ.λπ.

Αναγράφονται οι ώρες μελέτης του φοιτητή για κάθε μαθησιακή δραστηριότητα καθώς και οι ώρες μη καθοδηγούμενης μελέτης ώστε ο συνολικός φόρτος εργασίας σε επίπεδο εξαμήνου να αντιστοιχεί στα standards του ECTS

ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΦΟΙΤΗΤΩΝ

Περιγραφή της διαδικασίας αξιολόγησης

Γλώσσα Αξιολόγησης, Μέθοδοι αξιολόγησης, Διαμορφωτική  ή Συμπερασματική, Δοκιμασία Πολλαπλής Επιλογής, Ερωτήσεις Σύντομης Απάντησης, Ερωτήσεις Ανάπτυξης Δοκιμίων, Επίλυση Προβλημάτων, Γραπτή Εργασία, Έκθεση / Αναφορά, Προφορική Εξέταση, Δημόσια Παρουσίαση, Εργαστηριακή Εργασία, Κλινική Εξέταση Ασθενούς, Καλλιτεχνική Ερμηνεία, Άλλη / Άλλες

Αναφέρονται  ρητά προσδιορισμένα κριτήρια αξιολόγησης και εάν και που είναι προσβάσιμα από τους φοιτητές;

Η αξιολόγηση των φοιτητών θα γίνεται με συνδυασμό των παρακάτω. Ασκήσεις κατά τη διάρκεια του έτους και παράδοση τους σε τακτά χρονικά διαστήματα (40 %) και τελική γραπτή εξέταση με ασκήσεις και ερωτήσεις κρίσεως (60 %). Εναλλακτικά, μπορεί να επιλεγεί μόνο τελική εξέταση με ασκήσεις και ερωτήσεις κρίσεως.

-Προτεινόμενη Βιβλιογραφία :

-Συναφή επιστημονικά περιοδικά:

·         D. K. Ferry, Quantum Mechanics: An Introduction for Device Physicists and Electrical Engineers, 3^rd edition, CRC Press, 2021

·         C. L. Tang, Fundamentals of Quantum Mechanics for Solid State Electronics and Optics, Cambridge, 2005

·         A. F. J. Levi, Applied Quantum Mechanics, 2^nd edition, Cambridge, 2006

·         A. Yariv, Quantum Electronics, 3^rd edition, Wiley, 1991

·         J. Singh, Quantum Mechanics: Fundamentals & Applications to Technology, Wiley, 1997

·         D. M. Kim, Introductory Quantum Mechanics for Applied Nanotechnology, Wiley, 2015

·         D. G. Steel, Introduction to Quantum Nanotechnology, Oxford, 2021

·         V. V. Mitin, D. I. Sementsov, and N. Z. Vagidov, Quantum Mechanics for Nanostructures, Wiley, 2006