5 ECTS credits
135 u studietijd
Aanbieding 1 met studiegidsnummer 1004236BNR voor alle studenten in het 1e semester met een verdiepend bachelor niveau.
De cursus begint met een inleiding rond quantumfysica en een kort historisch overzicht van de eerste pogingen om systemen van quantumdeeltjes te beschrijven waarbij de klassieke wetten van de fysica niet meer gelden.
In hoofdstuk 1 worden de wiskundige basisvaardigheden vereist voor deze cursus opgesomd.
In hoofdstuk 2 overlopen we kort de klassieke fysische beschrijving van de polarisatie van een foton.
In hoofdstukken 3 en 4 worden de concepten ‘quantum states’ en ‘operatoren’ geïntroduceerd, en worden deze concepten toegepast op de polarisatie van een foton.
In hoofdstuk 5 wordt het begrip ‘meting’ in quantumfysische context besproken waarbij ook de postulaten van de quantumfysica worden geïntroduceerd.
In hoofdstuk 6 bekijken we de eigenschappen van een elektron als een spin-1/2 deeltje.
In hoofdstuk 7 wordt het angulair momentum van o.a. spin-1/2 deeltjes besproken.
In hoofdstuk 8 bekijken we quantumfysische systemen bestaande uit 2 deeltjes waarbij het concept ‘entanglement’ van belang is.
In hoofdstuk 9 worden de tijdsevolutie-operator en de Schrödingervergelijking voor quantumsystemen geïntroduceerd.
In hoofdstuk 10 bekijken we hoe positie en momentum van quantumdeeltjes worden beschreven.
In hoofdstuk 11 bestuderen we quantumdeeltjes aan een potentiaalstap en in een potentiaalput. Verder wordt het proces van tunneling geïntroduceerd.
In hoofdstuk 12 wordt het probleem van de quantumfysische harmonische oscillator opgelost aan de hand van creatie- en annilatie-operatoren.
In hoofdstuk 13 bestuderen we de Schrödingervergelijking in drie dimensies, met het waterstofatoom als illustratie.
In hoofdstuk 14 maken we gebruik van tijdsonafhankelijke perturbatietheorie om het Zeeman effect van een waterstofatoom in een statisch magnetisch veld te beschrijven.
In hoofdstuk 15 gebruiken we tijdsafhankelijke perturbatietheorie om de interactie tussen een atoom en een elektromagnetisch veld te beschrijven.
In hoofdstuk 16 bekijken we de volledig quantumfysische analyse van een elektromagnetisch veld.
In hoofdstuk 17 bekijken we de basisconcepten van quantuminformatie en quantumcomputing.
In hoofdstuk 18 bestuderen we het gedrag van elektronen in kristallijne materialen om de energiebanden van halfgeleidermaterialen te bepalen.
De meeste hoofdstukken omvatten naast theoretische concepten ook praktische oefeningen en verwijzingen naar concrete toepassingen in moderne technologie
Geen.
CONTEXT EN DOELSTELLINGEN
Quantumfysica is een wetenschappelijke discipline die ontstaan is in het begin van de 20ste eeuw en heeft een revolutionaire impact gehad op wetenschap en technologie. Hierbij denken we bijvoorbeeld aan de ontwikkeling van de transistor en de laser, beiden essentiële bouwstenen in de elektronica en de fotonica. Ook technologieën van de toekomst zoals quantum-computing / -cryptografie / -beeldvorming / -sensing /… steunen op de principes van de quantumfysica. Het algemene doel van deze cursus is dat de studenten de basisprincipes van de quantumfysica kunnen uitleggen en analyseren, dat ze deze concepten kunnen linken – waar relevant – met moderne technologie, dat ze de wiskundige formalismen voor de belangrijkste concepten kunnen construeren en analyseren, en dat ze deze formalismen kunnen toepassen in praktische oefeningen om quantumfysische problemen op te lossen.
Deze cursus moet de studenten voorbereiden tot het volgen van de colleges over Elektronische componenten, Fotonica, Materiaalkunde, Lasers, Fysica van de optische materialen en structuren, enz
Deze cursus draagt bij tot de volgende domeinspecifieke leerresultaten
De Bachelor in de Ingenieurswetenschappen heeft een brede fundamentele kennis en begrip van
1. de wetenschappelijke principes en de methodologie van de exacte wetenschappen met inbegrip van de specificiteit van hun toepassingen in de ingenieurswetenschappen;
2. fundamentele basismethoden en -theorieën om problemen of processen te schematiseren en te modelleren.
De Bachelor in de Ingenieurswetenschappen kan
1. op een logische, abstracte en kritische wijze redeneren;
De Bachelor in Ingenieurswetenschappen heeft
1. een creatieve, probleemoplossende, resultaatgerichte en op bewijsvoering gesteunde houding die gericht is op innovatie;
2. een kritische houding ten aanzien van de eigen resultaten en die van de anderen;
3. de middelen verworven voor het verzamelen van kennis gericht naar het levenslang leren.
VAKSPECIFIEKE EINDCOMPETENTIES :
De beoogde eindcompetenties kunnen als volgt ingedeeld worden:
quantum-states van bijvoorbeeld polarisatie, golf-deeltje dualiteit, interferentie,
operatoren, density operator, quantum-metingen, de postulaten van de quantumfysica,
probabiliteit, commutatie en compatibiliteit, onzekerheidsprincipe, superpositie,
spin, fermions en bosons, entanglement, niet-localiteit, Schrödingervergelijking, Hamiltoniaan,
quantumfysische beschrijving van plaats en momentum, golffunctie, golfpak,
quantumdeeltjes aan een potentiaalstap en in een potentiaalput, tunneling,
quantumfysische beschrijving van een harmonische oscillator, creatie- en annihilatie-operatoren,
quantumfysische beschrijving van het waterstofatoom en het Zeeman effect, Pauli exclusie-principe,
interactie tussen een atoom en een elektromagnetisch veld, perturbatietheorie,
transitie-probabiliteit en Fermi gulden regel,
quantumfysische beschrijving van een elektromagnetisch veld,
benaderingen van Schrödinger en Heisenberg,
quantuminformatie, qubits, quantumcryptografie, quantumcomputing,
Bloch golffunctie in een Kronig-Penney potentiaal, energiebanden van halfgeleiders
EXAMEN
De studenten zullen op basis van de bovenstaande eindcompetenties geëvalueerd worden in een mondeling examen met schriftelijke voorbereiding.
De beoordeling bestaat uit volgende opdrachtcategorieën:
Examen Andere bepaalt 100% van het eindcijfer
Binnen de categorie Examen Andere dient men volgende opdrachten af te werken:
Geen.
Deze aanbieding maakt deel uit van de volgende studieplannen:
Bachelor in de ingenieurswetenschappen: elektronica en informatietechnologie
Bachelor in de ingenieurswetenschappen: verkort traject elektronica en informatietechnologie na vooropleiding industriële wetenschappen