Bose-Einstein condensation and superfluidity in solid state systems

Lecture 1 and 2. Bose-Einstein condensation in atomic systems - the dream and discovery.

Lecture 3. Solid state systems - introduction

Lecture 4. Quasiparticles.

Lecture 5. More complex quasiparticles.

Lecture 6. Exciton-polaritons.

Lecture 7. Bose-Einstein condensation of exciton-polaritons.

Lecture 8. Bose-Einstein condensation of exciton-polaritons - details.

Lecture 9. Superfluidity of exciton-polaritons.

Lecture 10. Full and half vortices - stationary.

Lecture 11. Vortices - propagating in the wake of an obstacle.

Lecture 12. BEC of pure excitons.

Lecture 13. Magnons.

Lecture 14. Overview and list of take home messages. Mind map of the subjects discussed during the lecture.

Lecture 15. Exam oral or written report.

Lecture 1 and 2. Bose-Einstein condensation in atomic systems - the dream and discovery.

History of the experimental observation of BEC state in atomic systems. Most important experimental results including techniques of laser cooling, absorption spectroscopy and interferometry.

Lecture 3. Solid state systems - introduction

Most important properties of solid state systems. This include: band diagrams, electron and hole concepts, doping. Further on we will focus on the simple heterostructures - interfaces, quantum wells, quantum wires, quantum dots.

Lecture 4. Quasiparticles.

Excitations in the solid state from the point of view of new quasiparticle creation. Concept of excitons (ground and excited states), phonons, photons, magnons with the possibility for those particles to condense.

Lecture 5. More complex quasiparticles.

Various types of polaritons: phonon-polaritons, exciton-polaritons, plasmon-polaritons, magnon-polaritons. Dressed states.

Lecture 6. Exciton-polaritons.

The properties of exciton-polaritons in details as they are the best candidates to observe BEC. At this point it is important to construct the complex photonic systems: the Bragg mirrors and microcavity structures. Differences between the spontaneous emission, weak coupling and strong coupling. Similarity of microcavity with quantum wells to VECSEL structure.

Lecture 7. Bose-Einstein condensation of exciton-polaritons.

The first experiment demonstrating polaritonic BEC. Differences between the atomic and polaritonic BEC. The first and second order coherence.

Lecture 8. Bose-Einstein condensation of exciton-polaritons - details.

Differences between the BEC state and polariton laser. Experimental results of polariton lasing in various type semiconductor systems: II-VI, III-V wide and narrow bandgap materials. Josephson effect.

Lecture 9. Superfluidity of exciton-polaritons.

Short history of experimental observation of superfluid state in various systems. The properties of the superfluid state. The first experimental results that demonstrate the superfluid state of exciton-polaritons.

Lecture 10. Full and half vortices - stationary.

The appearance of the vortices at the beak of (or at the birth) of the superfluid state. Introduction and the most important physical properties of the classical and quantum vortices. Properties of full and half vortices with the most prominent experimental results in this subject.

Lecture 11. Vortices - propagating in the wake of an obstacle.

Vortices propagating in the wake of an obstacle. Role of the superfluid velocity: supersonic and subsonic. Solitons.

Lecture 12. BEC of pure excitons.

Before the exciton-polariton physics, the first attempt to create the condensed state were performed with pure excitons. The most important results in excitonic BEC (direct excitons, indirect-excitons, Cu2O excitons).

Lecture 13. Magnons.

The concept and the most important results from the BEC of magnons and short look at any other BEC possibility in solid state system.

Lecture 14. Summary. Students will create their own mind map of the subjects discussed during the lecture. Work in the group or individually. Personal notes and discussed publications are required in order to attend this lecture. Students will discuss on the possibility of practical implementation of BEC and superfluidity (brainstorm technique).

Lecture 15.

Exam oral or written report.

K_W01 posiada rozszerzoną wiedzę w zakresie fizyki i chemii, a także zna jej historyczny rozwój i znaczenie dla postępu nauk ścisłych i przyrodniczych, poznania świata i rozwoju ludzkości

K_W05 posiada pogłębioną wiedzę z fizyki i chemii, nanotechnologii oraz inżynierii nanostruktur

K_W06 posiada wiedzę o aktualnych kierunkach rozwoju i najnowszych odkryciach w dziedzinie fizyki, chemii, nanotechnologii oraz inżynierii nanostruktur

K_U01 potrafi zaplanować i wykonać obserwacje, doświadczenia, i obliczenia z zakresu fizyki, chemii oraz dotyczące nanotechnologii i inżynierii nanostruktur

K_U02 potrafi krytycznie ocenić wyniki doświadczeń i obliczeń teoretycznych oraz przeprowadzić analizę ich dokładności

K_U03 potrafi znajdować niezbędne informacje w literaturze fachowej, bazach danych i innych źródłach; zna podstawowe czasopisma naukowe dotyczące fizyki, chemii, nanotechnologii oraz inżynierii nanostruktur

K_U04 umie zastosować zdobytą wiedzę, umiejętności oraz metodykę fizyki i chemii do rozwiązywania problemów z dziedzin pokrewnych

K_U05 potrafi przedstawić wiedzę, wyniki badań i odkrycia naukowe w sposób jasny i systematyczny trafnie rozpoznając i uwypuklając najważniejsze aspekty rozważanego zagadnienia oraz prezentując przyjętą metodologię a także omawiając znaczenie uzyskanych wyników na tle innych podobnych badań

K_U06 potrafi skutecznie komunikować się ze specjalistami oraz niespecjalistami w zakresie fizyki, chemii, nanotechnologii i inżynierii nanostruktur oraz dziedzin pokrewnych, nawiązując dyskusję naukową lub przyczyniając się do popularyzacji wiedzy

K_U07 umie samodzielnie uczyć się oraz określić kierunki swego dalszego kształcenia

K_U08 posiada umiejętność przygotowania różnych prac pisemnych, w tym plakatu, opisu, artykułu oraz średniozaawansowanej rozprawy naukowej z zakresu fizyki, chemii, nanotechnologii i inżynierii nanostruktur oraz dziedzin pokrewnych, w języku polskim i angielskim, z zastosowaniem komputerowych narzędzi składania tekstu oraz graficznej wizualizacji wyników

K_U10 ma umiejętności językowe na poziomie B2+ Europejskiego Systemu Opisu Kształcenia Językowego, ze szczególnym uwzględnieniem terminologii fizycznej, chemicznej oraz stosowanej w nanotechnologii oraz inżynierii nanostruktur

K_K01 rozumie potrzebę uczenia się przez całe życie; potrafi inspirować i organizować proces uczenia się innych osób

K_K05 rozumie potrzebę systematycznego zapoznawania się z literaturą naukową i popularnonaukową w celu pogłębiania i poszerzania wiedzy; jest świadomy zagrożeń przy pozyskiwaniu informacji z niezweryfikowanych źródeł, w tym z Internetu

Homeworks.

Discussion of scientific papers.

Tests to check the effective use of the skills acquired during the lecture

Exam: oral exam or written report

None.