MODERN CONDENSED MATTER PHYSICS

Questo modulo, che fa parte del curriculum di Scienza e Tecnologia Quantistica all'interno del Corso di Laurea Magistrale in Ingegneria Fisica, fornisce agli studenti conoscenze avanzate dei concetti fondamentali della fisica della materia, in particolare dei solidi cristallini e delle nanostrutture con potenziali applicazioni per l’elettronica e le tecnologie quantistiche.
Il modulo è collegato alla ricerca svolta nel Dipartimento e ha due obiettivi principali:
1. Preparare gli studenti alla ricerca in fisica della materia introducendo i modelli che hanno plasmato la nostra comprensione microscopica delle proprietà elettroniche e dei fenomeni complessi che avvengono nei materiali.
2. Fornire una panoramica della fenomeni che avvengono nei materiali e nelle nanostrutture per le tecnologie quantistiche, come i qubit a spin e a superconduttore.
Il modulo tratterà i materiali di Dirac, sistemi topologici, trasporto (quantistico), magnetismo e introdurrà la superconduttività. Particolare attenzione sarà data allo sviluppo delle capacità di problem solving, spiegando come le proprietà dei materiali possano essere calcolate usando semplici approssimazioni. Inoltre, verranno presentati e discussi diversi articoli di ricerca per insegnare agli studenti come effettuare un'analisi critica della letteratura scientifica.
Il modulo può essere seguito indipendentemente o in concomitanza con “Superconductivity and Quantum Materials Science”. Mentre il corso “Modern Condensed Matter Theory” si concentra sui concetti fondamentali della fisica della materia trattati in modo sistematico attraverso la meccanica quantistica, “Superconductivity and Quantum Materials Science” offre una prospettiva complementare che tratta la fisica dei nuovi materiali, in particolare superconduttori, discutendo in dettaglio la loro caratterizzazione.

1. Conoscenza e capacità di comprensione
• Approfondita comprensione dei concetti fondamentali della fisica della materia.
• Capacità di analizzare e spiegare i fenomeni fisici che emergono nei sistemi utilizzati nelle tecnologie quantistiche.

2. Capacità di applicare conoscenza e comprensione
• Risolvere equazioni relative a modelli quantistici per descrivere alcune tra le principali classi di materiali studiati nella ricerca moderna.
• Calcolare proprietà elettroniche, di conduzione e magnetiche dei materiali.
• Partecipare a progetti di ricerca nell'ambito di fisica della materia teorica.

3. Autonomia di giudizio
• Identificare e correggere eventuali errori attraverso un'analisi critica dei metodi applicati.
• Confrontare risultati teorici con dati sperimentali.
• Comprendere e valutare criticamente la letteratura scientifica nel campo della fisica della materia.

4. Abilità comunicative
• Comunicare in modo chiaro e preciso le conoscenze acquisite, utilizzando una terminologia appropriata, sia in forma scritta che orale.

5. Capacità di apprendimento
• Prendere appunti, selezionando e organizzando le informazioni in base alla loro rilevanza e priorità.
• Raggiungere un livello di autonomia sufficiente per raccogliere dati e informazioni significative dalla letteratura scientifica.

Si richiede una conoscenza di Fisica Generale, Meccanica Quantistica e Metodi Matematici a livello di un programma di laurea scientifica triennale.
Sebbene non sia obbligatorio aver frequentato il corso di Fisica dello Stato Solido (o altro corso equivalente) del programma di laurea scientifica triennale, la conoscenza preliminare di alcuni concetti base della fisica dello stato solido potrebbe essere utile. In ogni caso, le conoscenze preesistenti degli studenti saranno valutate dal docente all'inizio del corso, e il programma del corso sarà riadattato di conseguenza.

1- Gas di Fermi
2- Teoria dei liquidi di Fermi
3- Teoria delle bande, con particolare attenzione ai calcoli delle strutture a bande mediante il metodo della combinazione lineare degli orbitali atomici
4- Grafene
5- Materiali topologici
6- Introduzione alla teoria della struttura elettronica, in particolare alla teoria del funzionale della densità
7- Conduzione elettrica nei metalli
8- Trasporto quantistico
9- Seconda quantizzazione
10- Magnetismo. Sistemi con momenti magnetici localizzati e magnetismo itinerante
11- Qubit di spin. Dinamica di rilassamento e decoerenza
12- Teoria della superconduttività di Bardeen–Cooper–Schrieffer (BCS)
13- Introduzione ai circuiti quantistici e ai qubit superconduttori

Steven M. Girvin and Kun Yang, Modern Condensed Matter Physics (Cambridge University Press, 2019)
Giuseppe Grosso and Giuseppe Pastori Parravicini, Solid State Physics, Second Edition (Academic Press, 2014)
Adrian P. Sutton, Electronic Structure of Materials (Calderon Press, 1994)
S. Datta, Quantum Transport: Atom to Transistor (Cambridge University Press, 2005)
B. Andrei Bernevig and Taylor L. Hughes, Topological Insulators and Topological Superconductors (Princeton University Press, 2013)
Robert M. White, Quantum Theory of Magnetism (Springer, 2007)
James F. Annet, Superconductivity, Superfluids and Condensates (Oxford University Press, 2004)

L'esame è composto di un brevo progetto individuale e di un esame orale:
1. Progetto individuale: Consiste nella soluzione di una serie di esercizi collegati, basati su argomenti di attualità in fisica della materia. Questo progetto richiederà l'uso di modelli e metodi che saranno approfonditi durante il corso. Gli esercizi potranno essere risolti sia analiticamente sia numericamente, utilizzando ad esempio Mathematica o programmi semplici in linguaggio Python. I risultati in forma di grafici o tabelle dovranno essere presentati in un documento (Word o LaTex) o in una presentazione PowerPoint da inviare al docente almeno 24 ore prima dell'esame orale. Altrimenti lo studente non verrà ammesso all'orale. Si stima che il progetto richiederà da una a due settimane di lavoro a casa.
2. Esame orale (dai 30 ai 40 minuti): Durante l’orale, lo studente presenterà i risultati del progetto e risponderà a domande di approfondimento sui concetti fondamentali del corso. Questo momento servirà anche per verificare ulteriormente la comprensione degli argomenti e delle tecniche applicate nel progetto.

Valutazione finale:
• Eccellente (27-30/30): Un esame sarà considerato pienamente riuscito quando il progetto presenterà risultati corretti nella maggior parte degli esercizi, e lo studente sarà in grado di esporre con chiarezza le proprie conclusioni, rispondedo a gran parte delle domande del docende e dimostrando una padronanza completa della materia.
• Buono (22-26/30): Un esame con valutazione media risulterà da un progetto con almeno metà dei risultati corretti. Durante l'orale, con l’aiuto delle domande del docente, lo studente mostrerà una buona comprensione dei concetti chiave e delle modalità per correggere gli errori presenti nel progetto.
• Sufficiente (18-21/30): Un esame sarà considerato sufficiente quando il progetto conterrà errori per circa due terzi, ma lo studente dimostrerà, durante l’orale, una conoscenza adeguata delle nozioni più importanti trattate nel corso.

Lezioni in presenza, esercizi a casa e lettura critica di articoli di ricerca.
Le lezioni si svolgeranno utilizzando un approccio tradizionale, con tutti i calcoli eseguiti su una lavagna. Inoltre, agli studenti verranno assegnati articoli di ricerca accompagnati da alcune domande per imparare a effettuare un'analisi critica della letteratura collegando le nozioni apprese durante le lezioni a problemi di ricerca attuali. Le risposte alle domande saranno poi discusse in classe con gli altri studenti e con il docente.

Inglese

orale