Välkommen till kursen Kvantfysik A

  FYP203 kursplan

När behövs en kvantfysikalisk beskrivning av naturen?

Det är säkerligen bekant för de flesta att materiella partiklar har en vågnatur, de har en de Broglie våglängd. För makroskopiska kroppar är emellertid de Broglie våglängden otroligt liten och vågnaturen är därmed försumbar. Detta leder till att Newtons mekanik fungerar mycket bra för dessa kroppar. En kvantfysikalisk beskrivning behövs däremot när de Broglie våglängden är av samma storleksordning som utsträckningen av det fysikaliska systemet i fråga. Till exempel är de Broglie våglängden hos en elektron, som är bunden i en atom, av samma storleksordning som atomens diameter. För att beskriva egenskaperna hos en atom fungerar därför inte Newtons mekanik och en kvantmekanisk beskrivning är nödvändig.

Tillämpningar

Eftersom kvantfysik används till att beskriva mikroskopiska system är det lätt att tro att kvantfysiken inte har någon betydelse för vår vardag. Tvärtom, vi stöter ofta på kvantfysikaliska fenomen i vardagen! Ett exempel på detta är den gula motorvägsbelysningen, som utnyttjar en välbestämd strålningsövergång i natriumatomen. De flesta egenskaper hos material såsom färg, hållfasthet och elektriska och magnetiska egenskaper kräver kvantfysik för att kunna förklaras på ett tillfredställande sätt. Det krävs dock inte ett kvantfysikaliskt kunnande för att utnyttja dessa egenskaper. Däremot har kunskaper i kvantfysik lett till en rad tillämpningar och konstruktioner av nya instrument, som blivit allmänt använda. Exempel på sådana instrument är:

Kvantfysik och forskning

De flesta forskargrupperna här på Fysikcentrum Göteborg (Fundamental fysik, Teknisk fysik, Fysik vid GU, Rymd- & geovetenskap samt Mikroteknologi & nanovetenskap) sysslar med forskning eller använder mätmetoder som har anknytning till kvantfysik på någon sätt. Exempel på detta är sveptunnlingsmikroskopi, enelektrontunnling, struktur och egenskaper hos ytor, kärn- och atomfysik.

Ett område inom den atomfysikaliska forskningen är att använda atomen som ett litet laboratorium där extremt noggranna mätningar kan utföras för att exempelvis bestämma fundamentalkonstanter eller studera våra naturkrafter i detalj. 1997 års Nobelpris i fysik uppmärksammade för övrigt hur man kan manipulera atomer med ljus och därigenom bromsa upp och fånga dem i en atomfälla. Även Nobelpriset 2012 gick till detta område då Serge Haroche och David J. Wineland
fick priset  "for ground-breaking experimental methods that enable measuring and manipulation of individual quantum systems".

Ett forskningsområde som växt fram under senare delen av 2010-talet är Kvantteknologi. Inom detta forskningsområde strävar man mot att utnyttja specifika kvantmekaniska fenomen, som superposition och sammanflätning, för teknologiska tillämpningar, som t ex säker kommunikation, extremt kraftfull informationsbehandling samt mycket känsliga detektorer. EU startar 2019 ett så kallat Flaggskeppsprojekt inom detta fält, med en budget på 1000 MEUR över tio år. Chalmers leder en annan 10-årig satsning inom fältet, Wallenberg Center for Quantum Technology (WACQT) som startade i januari 2018. WACQT är en nationell satsning, med stöd från Knut och Alice Wallenbergs stiftelse och svenskt näringsliv, med en total budget på närmare 1000 MSEK över tio år.

Kursinnehåll

Kursen i kvantfysik syftar till att ge en grundläggande förståelse av ämnet. Vi börjar kursen med att mycket kort diskutera några problem som inte kunde förklaras inom den klassiska fysiken. Sedan fördjupar vi oss i hur naturlagarna ser ut i en kvantfysikalisk beskrivning. I slutet av kursen tillämpas kvantfysiken för att studera atomer. Även om inte alla fenomen, som har nämnts ovan, behandlas i kursen så syftar den ändå till att lägga grunden för en förståelse av dessa.

Här följer en mer detaljerad beskrivning av kursinnehållet:

I kursen ingår att göra två laborationer och att skriva rapport på en och varje av dessa. De två laborationerna är:

Kurslitteratur: Kompendier (och en bredvidläsningsbok, senast användes The Physics of Atoms and Quanta av Haken & Wolf).

Lärare: Göran Johansson