SUPERCONDUCTIVITY AND QUANTUM MATERIALS SCIENCE

Il corso "Superconductivity and Quantum Materials Science" appartiene alle attività formative del curriculum di Quantum Science and Technology del Corso di Laurea Magistrale in Engineering Physics. Questo modulo consente allo studente di acquisire la conoscenza e la comprensione dei concetti fondamentali e applicativi della scienza dei materiali quantistici e della superconduttività.

Gli studenti riceveranno una panoramica su diverse classi di materiali quantistici, materiali con proprietà non convenzionali, che stanno già avendo un impatto significativo sulla nostra vita quotidiana. Ad esempio, i materiali quantistici sono presenti in tecnologie comuni come le risonanze magnetiche ospedaliere, che utilizzano superconduttori, e i dischi rigidi, che impiegano sensori a magnetoresistenza gigante. Tali proprietà non convenzionali sono la diretta manifestazione, su scala macroscopica, degli effetti della meccanica quantistica, senza la quale non è possibile nemmeno modellizzare in modo approssimativo questi materiali.

Tra le proprietà non convenzionali, si darà particolare enfasi alla superconduttività. Tale proprietà della materia presenta enormi potenzialità: si spera che il suo sfruttamento possa portare in un futuro anche prossimo a soluzioni innovative senza precedenti in chiave sostenibilità, che è una delle missioni del Dipartimento di Scienze Molecolari e Nanosistemi. Soltanto a titolo di esempio, la superconduttività consente il trasporto di elettricità senza perdite di energia, potenziando l'efficienza dei sistemi di distribuzione elettrica. Inoltre, ha applicazioni rilevanti nei trasporti, come i treni a levitazione magnetica, che promettono trasporti più veloci e meno inquinanti. La ricerca di materiali superconduttori con temperature critiche più vicine alla temperatura ambiente è una delle frontiere più promettenti per rivoluzionare la tecnologia e ridurre l'impatto ambientale.

Il corso affronta quindi argomenti di punta nella ricerca in corso non solo nel Dipartimento, ma più in generale nella comunità scientifica contemporanea - in primis della fisica della materia condensata - sia di base che applicata. Attraverso questo corso, gli studenti svilupperanno competenze teoriche per comprendere i materiali quantistici e analizzare i modelli fondamentali e le proprietà dei superconduttori. Inoltre, il corso includerà lo studio di alcune moderne tecniche sperimentali comunemente utilizzate per la caratterizzazione e l'analisi di questi materiali.

Alla fine del corso, gli studenti saranno in grado di sviluppare un pensiero critico sulla letteratura scientifica contemporanea e potranno contribuire attivamente all'innovazione tecnologica e scientifica nel campo dei materiali quantistici.

1. Conoscenza e capacità di comprensione
Conoscere e comprendere le proprietà fondamentali dei superconduttori a bassa e alta temperatura critica.
Comprendere i concetti principali della teoria BCS, come le coppie di Cooper e la gap di energia.
Conoscere le principali proprietà fisiche, le caratteristiche e i diagrammi di fase di diverse classi di materiali quantistici.
Più in generale, comprendere l’importanza della cultura scientifica nei processi di innovazione delle tecnologie moderne.

2. Capacità di applicare conoscenza e comprensione
Applicare le equazioni di London ai superconduttori per spiegare le loro proprietà elettromagnetiche.
Usare la teoria di Ginzburg-Landau per descrivere diverse lunghezze caratteristiche dei superconduttori, quali la lunghezza di penetrazione e la lunghezza di coerenza, e spiegare le differenze tra superconduttori di tipo I e di tipo II.

3. Autonomia di giudizio
Saper valutare la consistenza logica dei risultati, sia in ambito teorico sia nel caso di dati sperimentali.
Riconoscere eventuali errori tramite un’analisi critica del metodo applicato.

4. Abilità comunicative
Saper comunicare le conoscenze apprese utilizzando una terminologia appropriata, sia in ambito orale che scritto.
Interagire con il docente e con i colleghi di corso in modo rispettoso e costruttivo, in particolare durante i lavori realizzati in gruppo.

5. Capacità di apprendimento
Prendere appunti efficacemente, selezionando e raccogliendo le informazioni a seconda della loro importanza e priorità.
Essere sufficientemente autonomi nella raccolta di dati e informazioni rilevanti alla problematica investigata.

Il corso non prevede requisiti formali, ma i materiali trattati in aula fanno riferimento a concetti trattati nei corsi di laurea triennale di Fisica I, Fisica II (in particolare elettromagnetismo), Meccanica Quantistica e Fisica dello Stato Solido.

Il corso può essere seguito indipendentemente o in concomitanza con “Modern Condensed Matter Theory”.

I temi trattati, molti dei quali di notevole complessità e alcuni al confine della ricerca contemporanea, saranno presentati cercando di evidenziarne il significato fisico, ed evitando che questo venga oscurato dal formalismo matematico. Sebbene questo sia un corso sulle fondamenta teoriche della superconduttività e dei materiali quantistici, i concetti saranno di tanto in tanto esemplificati con riferimento a tecniche sperimentali effettivamente utilizzate nel campo della materia condensata.

Le tre aree principali, spesso interconnesse tra loro, che il corso coprirà sono le seguenti:

SUPERCONDUTTIVITA'
- Fenomenologia: trasporto, suscettibilità, termodinamica
- Equazioni di London, proprietà elettromagnetiche, lunghezza di penetrazione
- Teoria di Ginzburg-Landau: lunghezza di coerenza, superconduttori di tipo I e tipo II
- Teoria BCS: coppie di Cooper, gap di energia
- Tunneling delle coppie di Cooper, effetto Josephson
- Dispositivi superconduttori: giunzioni SNS e SIS, SQUIDs, rivelatori di fotoni a superconduttori
- Panoramica delle applicazioni
- Superconduttori cuprati ad alta temperatura critica: struttura, parametro d'ordine, diagramma di fase (fase strange metal, onde di densità di carica, pseudogap).

MATERIALI QUANTISTICI
- Materiali di Dirac: grafene, isolanti topologici, semiconduttori di Weyl
- Altri superconduttori non convenzionali: superconduttori a base di ferro, infinite layers di nickelati, double layer di grafene ad angolo magico

TECNICHE SPERIMENTALI
- Tecniche per la sintesi di materiali quantistici: esempi selezionati di processi di deposizione.
- Tecniche basate su radiazione di sincrotrone per comprendere i materiali quantistici e costruire i loro diagrammi di fase: esempi selezionati di spettroscopia a raggi X.
- Diffusione elastica e anelastica di neutroni e raggi X per sondare eccitazioni di carica e magnetiche.

- J.R. Waldram: Superconductivity of Metals and Cuprates
- J. F. Annett: Superconductivity, Superfluids and Condensates

Il raggiungimento degli obiettivi dell'insegnamento viene valutato attraverso la partecipazione alle attività (quiz) svolte durante il corso e un esame finale orale.

L'esame consiste di due parti svolte durante un unico colloquio, in inglese.
1. Un seminario di 20-25 minuti su un argomento pre-assegnato dal docente (sono ben accetti suggerimenti da parte dello studente). Lo studente deve presentare i concetti generali del tema in modo corretto e completo, fornendo alcuni esempi al livello delle lezioni e del libro di testo. Si incoraggia lo studente a cercare esempi originali, applicazioni e interconnessioni con altri argomenti, per dimostrare un livello di comprensione elevato. Una presentazione PowerPoint è la più adatta per il seminario, ma è possibile anche l'opzione lavagna per chi preferisse.
2. Due/tre domande sul nucleo del corso come presentato durante le lezioni. Lo studente deve rispondere (se necessario, con il supporto della lavagna) per dimostrare la comprensione dei concetti e delle nozioni di base del corso. Gli aspetti teorici e sperimentali saranno considerati di uguale importanza.

Un esame completamente riuscito (27-30/30) sarà considerato tale quando verrà dimostrata una solida e ampia padronanza dei concetti discussi durante le lezioni. Un voto medio (22-26/30) sarà il risultato di una comprensione abbastanza completa di singoli temi ma con limitate interconnessioni tra gli argomenti. Un livello di sufficienza (18-21/30) corrisponderà a una conoscenza minima delle singole nozioni.

Gli studenti frequentanti le lezioni possono accumulare ulteriori punti partecipando ai quiz proposti in classe. Il bonus verrà aggiunto al voto della prova orale e/o comporterà una riduzione del numero di domande sul nucleo del corso.

L’insegnamento è organizzato nei seguenti modi:
- Lezioni frontali, durante le quali il docente utilizza la lavagna e/o la proiezione di presentazioni (documenti PowerPoint).
- Attività di lavoro di gruppo ed esercitazioni/quiz assegnati in classe.

Tramite la piattaforma “Moodle” di Ateneo, verranno resi disponibili:
- Il materiale didattico proiettato durante le lezioni;
- Materiale per l'approfondimento di specifici argomenti trattati a lezione.

Inglese

Il programma è ancora provvisorio e potrà essere soggetto a cambiamenti.

orale

Questo insegnamento tratta argomenti connessi alla macroarea "Cambiamento climatico e energia" e concorre alla realizzazione dei relativi obiettivi ONU dell'Agenda 2030 per lo Sviluppo Sostenibile