Magnetism and superconductivity - Département de Physique de l'Ecole Normale supérieure

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Magnetism and superconductivity

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Physique Quantique

Faculty : Alain SACUTO

Tutor : Yann GALLAIS

ECTS credits : 6

Language of instruction : English
Web site : www.mpq.univ-paris-diderot.fr/spip.php ?rubrique260

Module description

This course is an introduction to magnetism and superconductivity. It starts with the basic macroscopic and microscopic theories of both phenomena which are then illustrates them with topics of current research in the respective fields such as quantum magnetism or high temperature superconductivity. 6 lectures will be devoted for each subject. They will be accompanied with homework and problem solving sessions.

Outline

Part 1 : Magnetism

A) Non-interacting magnetism

Currents and spins
Isolated atom magnetism
Local spin paramagnetism
Intinerant spin Pauli paramagnetism

B) Interacting magnetism

Exchange interaction
Heisenberg Hamiltonian and mean field theory of ferromagnetism
Anisotropy and crystal field effects
Low dimensional magnetism
Stoner theory of itinerant magnetism

C) Heisenberg model and excitations

Heisenberg ferromagnetism
Spin waves in ferromagnets and antiferromagnets
Spin dynamics and resonances

D) Introduction to quantum magnetism

Ground state of the Heisenberg model : dimensionality and frustration effects
Valence bond and spin liquid states
Recent theoretical and experimental developments quantum magnetism

Part 2 : Superconductivity

A) A history of superconductivity : 1911-2011

B) Selected experiments on conventional and high-temperature superconductors (transport, reflectivity, inelastic light scattering, neutron scattering, tunneling, angle resolved photoemission spectroscopy).

C) Phenomenological approach

Superfluid density, coherent length, penetration depth
Two kinds of Superconductors
Josephson effect, Shapiro’s steps

D) The BCS theory

Instability of the normal state in the presence of an attractive interaction
(Cooper pairs)
Ground state and elementary excitations (superconducting gap, condensation
energy, Bogoliubov excitations, density of states).
Temperature dependence of the superconducting gap and critical temperature.

E) Conventional superconductors versus high-Tc superconductors

Electron-phonon and electron- electron coupling
Gap symmetry
Transport (thermal conductivity, heat capacity, resistivity)
Optics (Raman, IR, ARPES)

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