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Academic Year/course: 2023/24

60031 - Low temperature physics and quantum technologies


Syllabus Information

Academic year:
2023/24
Subject:
60031 - Low temperature physics and quantum technologies
Faculty / School:
100 - Facultad de Ciencias
Degree:
538 - Master's in Physics and Physical Technologies
589 - Master's in Physics and Physical Technologies
ECTS:
5.0
Year:
1
Semester:
Second semester
Subject type:
Optional
Module:
---

1. General information

The subject Low Temperature Physics and Quantum Technologies is suitable for any student interested in learning about fascinating physical phenomena, such as superconductivity, superfluidity and Bose-Einstein condensation, the properties of cryogenic liquids and materials at low temperatures, and quantum information concepts. The objective is to help students to become familiar with theoretical concepts and experimental techniques in this modern area of research. It is especially recommended for students with a previous background in quantum physics, statistical physics and solid-state physics. Students are expected to attend lectures during the entire term and it is recommended that they take the first semester subject Quantum Theory of Condensed Matter.

2. Learning results

  • To describe the fundamentals of physical phenomena and properties of materials characteristic of the low temperature region.
  • To describe the physical fundamentals of quantum technologies.
  • To solve specific problems related to these phenomena.
  • To design and conduct experiments to measure the physical properties (electrical and magnetic) of materials at low and very low temperatures, interpret and present the results.

3. Syllabus

Theory:

  • Early evolution of low-temperature physics
  • Gases and quantum liquids (laser cooling techniques, trapped cold atoms and ions, Bose-Einstein condensates in dilute gases, superfluidity).
  • Superconductivity (general notions and theoretical models, Josephson effect and superconducting circuits based on Josephson junctions, applications of superconductivity).
  • Quantum technologies (introduction, ions, atoms and spins as qubit realizations, superconducting quantum circuits, light-matter interaction on a chip, decoherence and dissipation, quantum computing and information, quantum simulation).

Low temperature physics laboratory:

  • Properties of matter at low temperatures
  • Contact and thermal insulation
  • Refrigeration techniques up to temperatures of the order of mK
  • Thermometry
  • Operation of a SQUID sensor
  • Measurement of a quantum circuit.

4. Academic activities

To achieve the results, three learning activities have been programmed: theoretical classes on the contents of the subject (4 ECTS); discussion and problem-solving classes (0.4 ECTS); explanation and work in the laboratory and preparation of reports on this work (0.6 ECTS).

5. Assessment system

The continuous assessment of the student throughout the term will take into account the degree of personal work of the student, reflected in the resolution of problem questionnaires on the different topics related to the subject. The assessment will take into account the quality of the solutions and will account for 75% of the final grade.

During the practical classes there will be a continuous assessment of the student's work and acquisition of skills in laboratory techniques. This section will account for 10% of the final grade. The remaining 15% will reflect the analysis of the experimental results through the preparation of written reports.

The assessment by means of a single global test will consist of the solving of a questionnaire consisting of two parts:

  • Seven questions related to the concepts of the subject (3 hours). This part will be assessed with a grade from 0 to 10, and will represent 75% of the final grade.
  • Practical exercise in which the student must describe the elements and the experimental setup necessary to measure a given physical property at low temperature. This part will be assessed with a grade from 0 to 10, and will represent 25% of the final grade.

 


Curso Académico: 2023/24

60031 - Física de bajas temperaturas y tecnologías cuánticas


Información del Plan Docente

Año académico:
2023/24
Asignatura:
60031 - Física de bajas temperaturas y tecnologías cuánticas
Centro académico:
100 - Facultad de Ciencias
Titulación:
538 - Máster Universitario en Física y Tecnologías Físicas
589 - Máster Universitario en Física y Tecnologías Físicas
Créditos:
5.0
Curso:
1
Periodo de impartición:
Segundo semestre
Clase de asignatura:
Optativa
Materia:
---

1. Información básica de la asignatura

La asignatura Física de bajas temperaturas y tecnologías cuánticas es adecuada para cualquier estudiante interesado en conocer fenómenos físicos fascinantes, como la superconductividad, superfluidez y la condensación de Bose-Einstein, las propiedades de líquidos criogénicos y materiales a bajas temperaturas y conceptos de información cuántica. El objetivo es que se familiarice con conceptos teóricos y técnicas experimentales de esta moderna área de investigación. Es especialmente recomendada para estudiantes con una formación previa en física cuántica, física estadística y física del estado sólido. Se espera que los estudiantes sigan las clases de manera presencial durante todo el curso y se recomienda que cursen la asignatura Teoría cuántica de la materia condensada, del primer semestre.

2. Resultados de aprendizaje

- Describir los fundamentos de fenómenos físicos y las propiedades de materiales característicos de la región de bajas temperaturas

- Describir los fundamentos físicos de tecnologías cuánticas.

- Resolver problemas concretos relacionados con estos fenómenos

- Diseñar y llevar a cabo experimentos para medir las propiedades físicas (eléctricas y magnéticas) de materiales a bajas y muy bajas temperaturas, interpretar y presentar los resultados.

3. Programa de la asignatura

Teoría:

  • Evolución primitiva de la física de bajas temperaturas
  • Gases y líquidos cuánticos (técnicas de enfriamiento por láser, átomos e iones fríos atrapados, condensados de Bose-Einstein en gases diluidos, superfluidez).
  • Superconductividad (nociones generales y modelos teóricos, efecto Josephson y circuitos superconductores basados en uniones Josephson, aplicaciones de la superconductividad).
  • Tecnologías cuánticas (introducción, iones, átomos y espines como realizaciones de qubits, circuitos cuánticos superconductores, interacción luz-materia en un chip, decoherencia y disipación, computación e información cuánticas, simulación cuántica).

Laboratorio de física de bajas temperaturas:

  • Propiedades de la materia a bajas temperaturas
  • Contacto y aislamiento térmico
  • Técnicas de refrigeración hasta temperaturas del orden de mK
  • Termometría
  • Manejo de un sensor SQUID
  • Medida de un circuito cuántico.

4. Actividades académicas

Para alcanzar los resultados se han programado tres actividades de aprendizaje: clases teóricas sobre los contenidos de la asignatura (4 ECTS); clases de discusión y resolución de problemas (0.4 ECTS); explicación y trabajo en el laboratorio y elaboración de informes sobre dicho trabajo (0.6 ECTS).

5. Sistema de evaluación

La evaluación continua del alumno a lo largo de todo el curso tendrá en cuenta el grado de trabajo personal del alumno, reflejado en la resolución de cuestionarios de problemas sobre las diferentes materias relacionadas con la asignatura. La evaluación tendrá en cuenta la calidad de las soluciones y supondrá un 75% de la nota final.

Durante las clases prácticas se llevará a cabo una evaluación continua del trabajo y adquisición de competencias en técnicas de laboratorio por el alumno. Este apartado supondrá un 10% de la nota final. El 15% restante reflejará el análisis de los resultados experimentales mediante la elaboración de informes escritos.

La evaluación mediante prueba global única consistirá en la resolución de un cuestionario que constará de dos partes:

  • Siete cuestiones relacionadas con los conceptos de la asignatura (3 horas). Esta parte se evaluará con una nota de 0 a 10 que supondrá un 75% de la nota final.
  • Ejercicio práctico en el que el estudiante deberá describir los elementos y la configuración experimental necesarios para medir a baja temperatura una propiedad física determinada. Esta parte se evaluará con una nota de 0 a 10 que supondrá un 25% de la nota final.