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.

Alla fine del modulo, gli studenti avranno acquisito una comprensione approfondita dei concetti chiave della fisica della materia. In particolare, saranno in grado di:
• Risolvere (con semplici approssimazioni) le equazioni per i modelli quantistici che descrivono alcune delle classi di materiali più studiati nella ricerca moderna.
• Calcolare le proprietà elettroniche, di conduzione e magnetiche dei materiali.
• Confrontare i risultati teorici con i dati sperimentali.
• Capire i fenomeni fisici che emergono nei sistemi usati per le tecnologie quantistiche.
• Comprendere la letteratura scientifica in fisica della materia.
• Partecipare attivamente a progetti di ricerca all'interno del Dipartimento.

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 superconduttori 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)

Esercizi ed esame orale finale; massimo voto finale 30/30.
Il raggiungimento degli obiettivi didattici viene valutato tramite brevi esercizi a casa assegnati durante il corso (30% del voto finale) e un esame orale finale (70% del voto finale). Verrano assegnati cinque esercizi a casa in totale. Tutti gli esercizi risolti devono essere consegnati entro la scadenza specificata; in caso contrario, gli studenti non saranno ammessi all'esame orale. Le consegne in ritardo comporteranno una penalità in termini di punti. Il tempo disponibile per ciascun esercizio a casa è di circa due settimane.

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