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Instituto de Física
 
Disciplinas Interdepartamentais do Instituto de Física
 
Disciplina: 4305376 - Termoeletricidade e materiais quânticos
Thermoelectricity and quantum materials

Créditos Aula: 4
Créditos Trabalho: 0
Carga Horária Total: 60 h
Tipo: Semestral
Ativação: 15/07/2022 Desativação:

Objetivos
Esta disciplina visa estimular uma discussão aprofundada sobre os fundamentos da termoeletricidade e de suas manifestações na matéria condensada.
Partindo da análise dos conceitos básicos do transporte termoelétrico, a termoeletricidade é examinada como uma ferramenta avançada para investigar materiais quânticos em uma ampla gama de contextos de pesquisa (transições de fase quântica, estudo da superfície de Fermi, matéria correlacionada, isolantes topológicos).
As aplicações tecnológicas (dispositivos termoelétricos) serão brevemente revisadas para destacar o contexto mais amplo e a relevância de uma compreensão mais profunda desta propriedade da matéria. 

Conceitos específicos de física de estado sólido (por exemplo, teoria de banda eletrônica, fônons, correlação eletrônica, superfície de Fermi, etc.) serão introduzidos (ou revisados) nesta disciplina para permitir uma discussão consistente. Por esse motivo, é bem-vindo ter conhecimentos prévios de física do estado sólido, mas isso não é requisito obrigatório.
 
This course aims at stimulating an in-depth discussion on fundamentals of thermoelectricity and its manifestations in condensed matter. Starting from the analysis of the concepts at the base of thermoelectric transport, thermoelectricity is scrutinized as an advanced tool to investigate quantum materials in a broad range of research contexts (quantum phase transitions, Fermi surface investigation, correlated matter, topological insulators). Technological applications (thermoelectric devices) will be only briefly reviewed to highlight the wider context and the relevance of a deeper understanding of this property of matter. Specific concepts of solid-state physics (e.g. electronic band theory, phonons, electronic correlation, Fermi surface, etc.) will be introduced (or reviewed) within this course to allow a consistent discussion. For this reason, it is welcome to have previous knowledge of solid-state physics, but it is not a requirement.
 
 
Docente(s) Responsável(eis)
10931536 - Valentina Martelli
 
Programa Resumido
1) Introdução aos coeficientes termoelétricos. Fluxo de carga e de calor: a origem termodinâmica da termoeletricidade. As relações recíprocas de Onsager. O fator de mérito ZT e seu significado fundamental.
2) Elétrons e Fônons (revisão). Elétrons na rede cristalina, teoria de bandas e princípios de isolantes topológicos. Regimes exóticos de transporte de fônons. Teoria dos líquidos de Fermi.
3) Formalismo de Boltzmann e formalismo de Landauer.
4) Interação elétron-fônon.
5) Termoeletricidade sob campo magnético. Oscilações quânticas e estudo da superfície de Fermi.
6) Materiais termoelétricos de última geração
7) Termoeletricidade e transições de fase quântica
8) Termoeletricidade e sistemas de elétrons fortemente correlacionados
9) Termoeletricidade e isolantes topológicos
10) Materiais termoelétricos como fonte alternativa de energia: princípios básicos dos dispositivos, contexto e perspectivas. Fator ZT no contexto das aplicações.
 
1) Introduction to thermoelectric coefficients. Heat and charge flow: the thermodynamic origin of thermoelectricity. The Onsager reciprocal relations. The ZT merit factor and its fundamental meaning. 2) Electrons and Phonons (revision). Electrons in a regular lattice, band theory and principles of topological insulators. Exotic regimes of phonon transport. Fermi liquid theory. 3)Boltzmann formalism: semiclassical picture of transport for thermoelectric coefficients. Landauer formalism. 4)Electron-phonon interaction. Phonon drag, scattering events. 5)Thermoelectricity under low and intense magnetic field. Quantum oscillations and imaging the Fermi surface. 6)State of the art thermoelectric materials 7)Thermoelectricity and quantum phase transitions 8)Thermoelectricity and strongly correlated electron systems 9)Thermoelectricity and topological insulators 10) Thermoelectric materials for an alternative source of energy: basic principles of devices, context and perspectives. ZT factor in the applied context.
 
 
Programa
1) Introdução aos coeficientes termoelétricos. Fluxo de carga e de calor: a origem termodinâmica da termoeletricidade. As relações recíprocas de Onsager. O fator de mérito ZT e seu significado fundamental.
2) Elétrons e Fônons (revisão). Elétrons na rede cristalina, teoria de bandas e princípios de isolantes topológicos. Regimes exóticos de transporte de fônons. Teoria dos líquidos de Fermi.
3) Formalismo de Boltzmann e formalismo de Landauer.
4) Interação elétron-fônon.
5) Termoeletricidade sob campo magnético. Oscilações quânticas e estudo da superfície de Fermi.
6) Materiais termoelétricos de última geração
7) Termoeletricidade e transições de fase quântica
8) Termoeletricidade e sistemas de elétrons fortemente correlacionados
9) Termoeletricidade e isolantes topológicos
10) Materiais termoelétricos como fonte alternativa de energia: princípios básicos dos dispositivos, contexto e perspectivas. Fator ZT no contexto das aplicações.
 
1) Introduction to thermoelectric coefficients. Heat and charge flow: the thermodynamic origin of thermoelectricity. The Onsager reciprocal relations. The ZT merit factor and its fundamental meaning. 2) Electrons and Phonons (revision). Electrons in a regular lattice, band theory and principles of topological insulators. Exotic regimes of phonon transport. Fermi liquid theory. 3)Boltzmann formalism: semiclassical picture of transport for thermoelectric coefficients. Landauer formalism. 4)Electron-phonon interaction. Phonon drag, scattering events. 5)Thermoelectricity under low and intense magnetic field. Quantum oscillations and imaging the Fermi surface. 6)State of the art thermoelectric materials 7)Thermoelectricity and quantum phase transitions 8)Thermoelectricity and strongly correlated electron systems 9)Thermoelectricity and topological insulators 10) Thermoelectric materials for an alternative source of energy: basic principles of devices, context and perspectives. ZT factor in the applied context.
 
 
Avaliação
     
Método
Aulas expositivas e semiários.
Critério
Provas e discussão de casos
Norma de Recuperação
Não há recuperação
 
Bibliografia
     
- Girvin, Steven M., and K. Yang, Modern condensed matter physics. Cambridge University Press (2019)
- Ashcroft, Neil W., and N. David Mermin. Solid state physics. (1976).
- K. Behnia. Fundamentals of Thermoelectricity. Oxford (2014)
- Goldsmid, H. Julian. Introduction to thermoelectricity. Vol. 121. Berlin: Springer, 2010.
- Ziman, John M. Electrons and phonons: the theory of transport phenomena in solids. Oxford university press, 2001.
 

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