Úvod do fyziky elektronových stavů a transportu v moderních polovodičových systémech, heterostrukturách a kvantových strukturách. Přednáąka zahrnuje následující témata: shrnutí elektronové struktury polovodičů a polovodičových heterostruktur, vodivost a transmisní koeficienty, lokalizace, univerzální fluktuace vodivosti, Aharonov-Bohmův jev, Hallovy jevy, resonanční tunelování a elektronový turniket, spinově závislý transport a spinotronika.

Introduction to the electronic transport in semiconductor bulk, heterostructure, and nanostructure systems including the following topics: conductance and transmission coefficients; localization, universal fluctuations and Aharonov-Bohm effect; Hall effects; coherent resonant tunneling and Coulomb blockade; spin-dependent transport and spintronics.

Během osmdesátých let minulého století dosáhly polovodičové technologie takové dokonalosti, že umožnily vytvářet elektronové systémy o rozměrech řádu několika desítek nanometrů, jako jsou například dvojrozměrné elektronové systémy, kvantové dráty či tzv. kvantové tečky - umělé atomy. Jejich příprava byla založena především na využití kombinace elektronové litografie a metody MBE (Molecular Beem Epitaxy), která umoľňuje kontrolovaný růst jednoatomových polovodičových vrstev včetně jejich složení. Zásluhu na jejich rozvoji měly velké elektronické společnosti, které usilovaly o výrobu stále dokonalejších součástek a jejich miniaturizaci. Jedním z nejpřekvapivějších výsledků jejich studia byl objev kvantového Hallova jevu, za který byly uděleny Nobelovy ceny za fyziku v roce 1985 a 1998. V roce 2000 pak byla udělene další Nobelova cena v oboru polovodičových kvantových struktur za příspěvek k rozvoji moderní opto-elektroniky. Součástky založené na spinově polarizovaném transportu elektronů se staly základem nového oboru, tzv. spinotroniky, kterou odstartoval objev gigantické magnetoresistence v roce 1988.

Přednášky si kladou za cíl přiblížit studentům podstatu kvantového charakteru elektronového transportu nejjednodušší formou vyžadující pouze znalost základů kvantové mechaniky a jsou věnovány následujícímu okruhu otázek:

1) Shrnutí fyziky polovodičů -- krystalová a elektronová struktura.

2) Nízkorozměrné elektronové systémy -- epitaxe z molekulárních svazků a litografie, pásové inženýrství a kvantové jámy, rozměrové kvantování, dvojrozměrný elektronový plyn.

3) Elektronový transport jako srážkový problém -- souvislost konduktance (převrácená hodnota odporu) a transmisních koeficientů, kvantování odporu bodových kontaktů, Landauerův-Buttikerův formalismus.

4) Lokalizace a fluktuace konduktance -- pravděpodobnost průchodu elektronu dvěma bariérami, vliv interference, lokalizační délka, univerzální fluktuace konduktance.

5) Rezonanční tunelování a Coulombická blokáda -- tunelování elektronů dvojitou barierou, rezonanční a jednoelektronové tunelování, elektronový turniket.

6) Jev Aharonova-Bohma -- kvantování magnetického toku vodivou smyčkou.

7) Celočíselný kvantový Hallův jev -- kvantování energetického spektra vlivem silného magnetického pole, Landauovy hladiny a hranové stavy, diamagnetické proudy a vliv lokalizace.

8) Zlomkový kvantový Hallův jev -- nestlačitelnost a faktor plnění, kompozitní fermiony.

9) Spinotronika -- gigantická magnetoresistence, efekt spinového přenosu, anomální Hallův jev, feromagnetické polovodiče.

Progress in the semiconductor technology allows to prepare systems with designed chemical compositions and geometries such as the transition-metal-doped III-V compounds or two-dimensional electron systems, quantum wires and dots whose parameters are controlled on a nanometer scale. They are typically prepared by a combination of the electron lithography and the molecular beam epitaxy, allowing for a controlled growth of atomic layers with the required composition. Thermodynamic, transport and optical properties of this new class of conductors cannot be explained on the basis of classical physics. Wave-like character of electrons gives rise to ordered many-electron states, interference effects, size quantization of the energy spectra, and the purely quantum property of the electron known as spin plays a key role in many of the properties of these systems. The intense study of these new semiconductor structures led, e.g., to the discovery of the quantum Hall effects awarded by Nobel prizes in the years 1985 and 1998, or to the development of modern opto-electronics whose enormous impact has been recognized in 2000 by yet another Nobel Prize award. Devices whose functionalities exploit the electron spin form the foundation of spin-based electronics, spintronics. Since the discovery in 1988 of the giant magnetoresistance effect, spintronics has revolutionized computer hard-drive and memory-chip industries.

The aim of the course is to explain the physics of electronic structure and transport in modern semiconductor systems, assuming the knowledge of basic principles of condensed matter physics and quantum mechanics. The course covers the following topics:

1) Semiconductor fundamentals -- crystal and electronic structure

2) Low-dimensional systems -- molecular beam epitaxy and lithography, quantum well design, size quantization, two-dimensional electron gas.

3) Electron transport as a scattering problem -- conductance and transmission coefficients, conductance quantization of the ballistic junction, Landauer-B\"{u}ttiker formalism.

4) Localization and conductance fluctuations -- electron transmission through two barriers in series, interference effect, localization length, universal conductance fluctuations.

5) Resonant tunneling and Coulomb blockade -- double-barrier tunneling, resonant and single electron tunneling, electron turnstile.

6) Aharonov-Bohm effect -- quantization of the magnetic flux through the conducting loop.

7) Integer quantum Hall effect -- energy spectra of electrons in strong magnetic fields, Landau levels and edge states, diamagnetic currents, localization effect.

8) Fractional quantum Hall effect -- incompressibility and filling factor, composite fermions.

9) Spintronics -- giant magnetoresistance, spin-transfer effects, anomalous Hall effect, ferromagnetic semiconductors.