Fragen zur Vorlesung Licht und Materie

Transkript

1 Fragen zur Vorlesung Licht und Materie SoSe 2017 Mögliche Prüfungsfragen, mit denen man das Verständnis des Vorlesungsstoffes abfragen könnte

2 Vorlesung 1: Lorentz-Modell Themenkomplex Wechselwirkung Licht-Materie allgemein : - Welche 3 Wechselwirkungs-Möglichkeiten für Licht und Materie gibt es? Nennen Sie Beispiele für jede Möglichkeit. Themenkomplex Lorentz-Modell : - Für welche Materialien ist das Lorentz-Modell geeignet? - Welche Phänomene lassen sich mithilfe des Lorentz-Modells erklären? - Wie verhalten sich 0 und p zueinander für normale Materialien? - Erklären und skizzieren Sie den grundsätzlichen Verlauf von, und R über der Frequenz. - Wie sehen Real- und Imaginärteil von aus? (-> Zeichnungen mit allen wichtigen Frequenzen) - Wie verhält sich nach dem Lorentzmodell die dielektrische Funktion für hohe Frequenzen? - Zeichnen Sie den prinzipiellen Verlauf der Frequenzabhängigkeit der Reflektivität im Lorentz- Modell. Themenkomplex Kollektive Anregung : - Erläutern Sie kollektive Anregung. - Was versteht man unter einer kollektiven Anregung? - Nennen Sie ein Beispiel für eine kollektive elektronische Anregung. Themenkomplex Allgemein : - Wo sind Plasmen im Alltag anzutreffen? Themenkomplex Nicht Stoff dieser Vorlesung : - Wie ist die Wechselwirkung zwischen Elektron und Kern? Linear oder quadratisch wie die Coulomb-Wechselwirkung?

3 Vorlesung 2: Lorentz-Modell, Hableiter Themenkomplex Lorentz-Modell und reale Materialien : - Wie erhält man eines Materials, wenn die der einzelnen Oszillatoren des Materials gegeben sind? - Zeichnen und diskutieren Sie den typischen Verlauf der dielektrischen Funktion eines polaren Kristalls. Themenkomplex Halbleiter : - Auf welche Art kann man die Leitfähigkeit eines Halbleiters ändern? - Wie lässt sich die Leitfähigkeit von Halbleitern beeinflussen? - Wie lässt sich die Leitfähigkeit von Halbleitern ändern? - Nennen Sie (drei) Möglichkeiten, die Leitfähigkeit eines Halbleiters zu verändern. - Nennen Sie drei Faktoren, mit denen sich die Leitfähigkeit von Silizium beeinflussen lässt. Welche wird am häufigsten verwendet? - Wie funktioniert ein FET und was ist Ihr Lieblingshalbleiter? - Was ist der Unterschied zwischen direktem und indirektem Halbleiter und was sind die Auswirkungen auf optische Anwendungen? - Für welche technischen Anwendungen werden Halbleiter mit direkter Bandlücke benötigt? - Welche Vorteile haben Halbleiter mit indirekter Bandlücke im Gegensatz zu Halbleitern mit direkter Bandlücke? - Wie ist die Fermi-Energie definiert? - Wie hilft die Fermienergie bei der Unterscheidung von Leitern und Halbleitern? - Warum liegt die Grenze der Energielücke E g für Halbleiter/Isolatoren bei ca. 3eV? - Wie bestimmt man die Bandlücke (Energie E g ) messtechnisch? Themenkomplex Allgemein : - Wie kann man Absorption in Abhängigkeit von und darstellen? Gibt es Proportionalitäten? - Was unterscheidet Streuung und Reflexion? Themenkomplex Fortgeschritten/nicht Teil der Vorlesung/unklar : - Kann es einen Isolator ohne Bandlücke zwischen Leitungs- und Valenzband geben? Warum? - Warum ist k 0 bei einem direkten Halbleiter?

4 Vorlesung 3: Hableiter, Drude-Modell und optische Eigenschaften Themenkomplex Halbleiter : - Warum lassen sich LEDs nur schlecht aus Halbleitern mit indirekter Bandlücke herstellen? Themenkomplex Drude-Modell und optische Eigenschaften : - Wie lautet die Grundannahme des Drude-Modells? - Was sind die Grundannahmen des Drude-Modells? - Von welchen Annahmen geht das Drude-Modell aus? Liegen diese im Festkörper vor? - Was sind die Hauptannahmen des Drude-Modells im Vergleich zum Lorentz-Modelle - Wann benutzt man das Drude- und wann das Lorentz-Modell? - Beschreiben Sie die optischen Eigenschaften des Drude-Modells in den verschiedenen Frequenzbereichen. - Was passiert wenn 2? Was ist beobachtbar? - Wie lautet die Hagen-Rubens-Relation? Für welchen Frequenzbereich gilt diese? - Warum streuen die Elektronen im mittleren Frequenzbereich des Drude-Modells nicht mehr? - Nennen Sie Gründe, warum es unvorteilhaft ist, aus (stark brechenden) Metall Linsen zu fertigen. Themenkomplex Fortgeschritten/nicht Teil der Vorlesung : - Wie kann es sein, dass das Elektron über den Wendepunkt im Leitungsband eines indirekten Halbleiters hinausgehen kann, wenn doch die effektive Masse 1/m* = d 2 E/dk 2 dort divergiert?

5 Vorlesung 4: Drude-Modell, Streuprozesse, reale Materialien Themenkomplex Drude-Modell : - Mit welchem Modell lassen sich Leitungselektronen in realen Metallen beschreiben? Zeichnen Sie die Leitfähigkeit, die dielektrische Funktion und die Reflexion dieses Modells in Abhängigkeit von der Frequenz. - Was sind die Grundannahmen des Drude-Modells? - Was EXAKT ist die Stoßzeit? Die Zeit zwischen zwei Stößen, die Dauer eines Stoßes, die Dauer um in p=0 zu relaxieren,??? - Welche Annahmen vom Drude-Modell kann man in Quantenmechanik übernehmen? - Wie stark weicht das Drude-Modell von der Quantenmechanik ab und in welchem Experiment ist das besonders gut zu beobachten? Themenkomplex Streuprozesse : - Aus welchen Beiträgen setzt sich die Relaxationsrate eines Metalls zusammen? - Mit was stoßen Elektronen im Festkörper? - Mit welchen Partnern stoßen Elektronen im Festkörper? - Beschreiben Sie die Streuvorgänge von Elektronen im Festkörper und deren Temperaturabhängigkeit. - Warum stoßen die Elektronen im Drude-Modell nicht mit den Atomrümpfen? - Was beschreibt die Matthiessensche Regel? Themenkomplex Elektronen im Festkörper : - Was ist Umklappstreuung? - Wie kann das Konzept der Umklappprozesse anschaulich verstanden werden? Wird wirklich der Impuls geändert? (Impulserhaltung!) - Warum enthalten Blochwellen keine Stöße? (Mathematisch klar, aber warum existieren Stöße physikalische nicht?) - Was ist ein Metall? - Was ist eine Fermi-Flüssigkeit? - Welche Ladungsträger tragen zur Leitfähigkeit bei?

6 Vorlesung 5: Drude-Verhalten in realen Metallen Themenkomplex Messung von Drude-Verhalten bei der Streurate : - Wie kann man Voraussagen des Drude-Modells experimentell nachweisen? - Warum ist die Relaxationszeit schwer (direkt) zu beobachten? - Warum kann die Relaxationsrate nur schwer direkt beobachtet werden? - Wie misst ein Messgerät direkt (ohne Kramers-Kronig) eine komplexe Leitfähigkeit/Impedanz? - Wie kann die Relaxationsrate direkt mithilfe der Leitfähigkeit gemessen werden? - Welche 2 Möglichkeiten bestehen, um die Relaxationsrate in Materialien zu verringern? Themenkomplex Messung der Plasmakante : - Zeichnen Sie die Plasmakante für reale Metalle - für schlechte Metalle (was ist das?) - für = 1/ << p - für den Einfluss einer Bandstruktur - für den Einfluss von - Warum beschreibt das Drude-Modell Reflektivität nicht exakt? - Warum steigt die Reflektivität bei Frequenzen größer der Plasmafrequenz wieder an? Wie kann man dieses Verhalten rechnerisch beschreiben? - Auf welche Art und Weise lässt sich die Reflektivität von Metallen herabsetzen? Themenkomplex Metalle : - Inwiefern hängen thermische und elektrische Leitfähigkeit zusammen? - Welche Eigenschaft in Bezug auf Elektronen haben Schwere-Fermionen-Materialien? - Woran kann man ein schlechtes Metall erkennen? Themenkomplex Fortgeschritten : - Inwiefern beeinflussen Oxidationsschichten die Reflektivitätsmessung? (Bsp. Alu)

7 Vorlesung 6: Erweiterte Drude-Auswertung, Fermi-Flüssigkeit Themenkomplex Erweiterte Drude-Auswertung : - Warum ist die Relaxationsrate frequenzabhängig? Themenkomplex Fermi-Flüssigkeit : - Was ist eine Fermi-Flüssigkeit? - Was sind die grundlegenden Unterschiede zwischen einem Fermi-Gas und einer Fermi- Flüssigkeit? - Was besagt die Theorie der Fermi-Flüssigkeit? - Was versteht man unter der direkten Entsprechung von wechselwirkendem und nichtwechselwirkendem System? - In welchem Fall können wir die Theorie der Fermi-Flüssigkeiten anwenden? (Welche Stoffeigenschaften? Welche Temperatur?) - Wie relaxiert ein angeregtes Teilchen einer Fermiflüssigkeit? - Welche Vorhersage trifft das Modell der Fermi-Flüssigkeit über die Relaxationsrate? Themenkomplex Supraleitung : - Welche beiden Phänomene sind charakteristisch für Supraleiter? Themenkomplex Fortgeschritten : - Wie kommt man auf die Theorie, dass eine Renormierung zur Beschreibung der Fermi- Flüssigkeit ausreicht?

8 Vorlesung 7: Supraleiter und ihre optischen Eigenschaften Themenkomplex Supraleitung allgemein : - Illustrieren Sie den Meissner-Effekt anhand einer Skizze. - Beschreiben Sie den Unterschied zwischen DC- und AC-Leitfähigkeit eines Supraleiters mithilfe des 2-Flüssigkeiten-Modells. - Was sind Cooper-Paare? - Warum unterscheiden sich Elektronen, die Cooper-Paare bilden, in ihren Eigenschaften signifikant von ungepaarten Elektronen? - Warum bilden sich Cooper-Paare nur für T <T c? - Wie verändert sich die Zustandsdichte (DOS) eines Metalls, wenn es supraleitend wird? - Wie kommt die Energielücke der Einteilchenzustandsdichte zustande? - Warum ist die Energielücke (zwischen E F - und E F + ) temperaturabhängig? Themenkomplex Optik allgemein : - Was entspricht 1K umgerechnet in Wellenzahl (bzw. Frequenz)? Themenkomplex Fortgeschritten : - Wo sind Cooper-Paare in der Zustandsdichte?

9 Vorlesung 8: Lichtausbreitung in Metallen; (Volumen-)Plasmonen Themenkomplex Volumen-Plasmonen : - Wie lautet die Bedingung für eine longitudinale elektromagnetische Welle in Metallen? - Unter welcher Bedingung sind longitudinale elektromagnetische Wellen in Metallen möglich? - Woher kommt der Name Plasmafrequenz? - Was sind Volumen-Plasmonen? - Was sind (Volumen-)Plasmonen? - Wie bringt man ein Plasma zum Schwingen? - Wie kann man Plasmonen anregen? - Nennen Sie eine Methode, mit der Volumen-Plasmonen in einem Metall angeregt werden können. - Warum kann man mit Licht keine Volumen-Plasmonen anregen? - Wie kann eine longitudinale Welle im Metall angeregt werden und was ist der Unterschied zwischen der Plasmafrequenz und der Plasmakante? Themenkomplex Nicht in der Vorlesung besprochen : - Wenn die longitudinale Mode mit der Funktion u(t)=u 0 e i t beschrieben werden kann, kann man daraus folgern, dass der Wellenvektor q=0 ist und sich die Welle nicht ausbreitet? (Stehende Welle?)

10 Vorlesung 9: Oberflächen-Plasmonen, Nanopartikel-Plasmonen Themenkomplex Plasmonen allgemein : - Wo finden Plasmonen eine Anwendung? - Wofür kann man Plasmonen verwenden? - Wie lassen sich die verschiedenen Plasmonenarten anregen? Themenkomplex Oberflächen-Plasmonen : - Wie tief dringen Oberflächen-Plasmonen in Metall und Dielektrikum ein (Längenskala)? - Wie lautet die Dispersionsbeziehung für Oberflächen-Plasmonen? - Wie können SPPs angeregt werden? - Nennen Sie 4 Möglichkeiten mit denen SPPs angeregt werden können? - Welche gängigen Methoden gibt es um Oberflächenplasmonen anzuregen? - Warum lassen sich SPPs nicht mit Licht anregen? - Warum ist keine direkte Anregung von Oberflächenplasmonen durch Licht möglich? - Wie können mit Hilfe von Licht Oberflächenplasmonen angeregt werden? - Welche zwei Methoden existieren, um Oberflächenplasmonen optisch mit einem Prisma anzuregen? Themenkomplex Nanopartikel-Plasmonen : - Warum kann man Nanopartikel-Plasmonen im Gegensatz/Vergleich zu Oberflächen-Plasmonen so viel einfacher mit Licht anregen? Themenkomplex Nicht in der Vorlesung besprochen : - Was wäre der Vorteil eines Plasmonencomputers gegenüber eines Elektronencomputers? - Wie lautet die Dispersionsbeziehung für Oberflächen-Plasmonen? Kann der Term ( m d /( m + d )) 1/2 als reduzierte Permittivität verstanden werden? Begründen Sie Ihre Antwort. Themenkomplex Nicht prüfungsrelevant : - Welches Kunstobjekt ist nach der M. Scheffler Statistik in physikalischen Vorträgen am beliebtesten?

11 Vorlesung 10: Starke Kopplung, (Phonon-)Polaritonen Themenkomplex Starke Kopplung : - Nennen Sie ein Beispiel für ein stark gekoppeltes System. - Beschreibe ein Beispiel für starke Kopplung. - Wann spricht man von starker Kopplung? (in Hinblick auf das avoided crossing) - Was versteht man unter einem avoided crossing? Themenkomplex (Phonon-)Polaritonen : - Warum können akustische Phononen nicht durch Licht angeregt werden? - Warum kann Licht nur für sehr kleine q an Phononen koppeln? - Was sind die Voraussetzungen, dass ein Polariton entstehen kann? - Was ist ein Phonon-Polariton? - Erklären Sie die Dispersionsrelation von Phonon-Polaritonen! - Wie kann man Phonon-Polaritonen erzeugen? Themenkomplex Lichtausbreitung allgemein : - Kann sich Licht in einem Medium mit negativem ausbreiten? Themenkomplex Nicht in der Vorlesung besprochen : - Welche Anwendungen haben Systeme mit starker Kopplung?

12 Vorlesung 11: Exzitonen Themenkomplex Exzitonen : - Was sind Mott-Wannier-Exzitonen? - Wie sieht deren Bandstruktur aus und warum ist die Krümmung so wichtig? - Warum ist die Anregungsenergie für Exzitonen kleiner als für eine Elektron-Loch-Anregung? - Wie kann man ein Exziton anregen? Was ist zu beobachten? - Warum sind Exzitonen kaum bei Raumtemperatur beobachtbar? - Warum tragen Exzitonen nicht zum Ladungstransport bei? Themenkomplex Lichtausbreitung allgemein : - Kann sich Licht in einem Medium mit negativem ausbreiten? Themenkomplex Fortgeschritten : - Was ist hopping? Themenkomplex In der Vorlesung nicht so besprochen : - Begründen Sie, warum die Energie von Exzitonen Betragsmäßig kleiner ist als die Bindungsenergie von Atomen. - Wenn man ein e - in die Leitungs schale hebt, entsteht dann immer ein Exziton? Oder nur bei Materialien mit einer Bandstruktur?