FISICA DELLO STATO SOLIDO

L’insegnamento è una delle attività formative a libera scelta del Corso di Laurea in Ingegneria Fisica e consente allo studente di acquisire la conoscenza e la comprensione dei concetti fondamentali delle teorie fisiche che descrivono la cosiddetta materia condensata, ovvero quei materiali che vengono comunemente detti solidi.

L'obbiettivo dell'insegnamento è fornire conoscenze su come delle teorie fisiche basate sulla meccanica statistica, sia classica che quantistica, a partire da ipotesi relativamente semplici, possono spiegare il comportamento qualitativo delle proprietà peculiari dei solidi: la loro abilità di condurre carica e calore.

Al termine del corso studenti e studentesse conosceranno le teorie di base con cui si descrivono i fenomeni della conduzione del calore, della pressione (onde acustiche) e della carica (corrente elettrica) nei materiali solidi.

Al termine del corso, gli studenti avranno compreso le teorie fisiche esposte a lezione, e di saperle applicare per poter comprendere il comportamento fisico dei materiali solidi.

Il corso non prevede requisiti dal punto di vista formali, ma i materiali esposti a lezione richiedono dei concetti trattati in corsi precendenti: Analisi matematica 1 e 2 (derivate e integrali a una o più variabili), Algebra lineare (spazi vettoriali e operazioni tra vettori, equazioni agli autovalori), Metodi matematici per la fisica e L'Ingegneria (Formalismo Hamiltoniano), Fisica 1 (Oscillatore armonico classico) e Fisica 2 (Oscillatore armonico quantistico).

TEORIA DEI METALLI; Modello atomico per un metallo; Modello di drude; Conduttività elettrica; Conduttività termica e legge di Wiedman-Franz; Modello di Sommerfield; Gas di elettroni e sfera di Fermi; Pressione di un gas di fermi; Densità di stati elettronici; Studio dei modelli dei metalli a temperatura finita e calore specifico; Conduttivià nel modello di Sommerfeld.

INTRODUZIONE ALLE STRUTTURE CRISTALLINE; Limitazioni del modello degli elettroni liberi; Reticolo di Bravais; Reticolo reciproco; Esempi di reticolo reciproco su strutture cristalline semplici.

TEORIA DELLE BANDE: Teorema di Bloch; Condizioni Periodiche di Born-Von Karman; Teoria del Tight binding; Modello ad elettroni quasi-liberi; Band gap e zona di Brillouin; Scattering di Bragg e piani di Bragg.

TEORIA CLASSICA DEI CRISTALLI ARMONICI: Funzione di equipartizione classica e teoria di Doulong-Petit; Cristallo unidimensionale e approssimazione armonica; Modi normali di una molecola biatomica; Modi normali di un cristallo armonico.

TEORIA QUANTISTICA DEI CRISTALLI ARMONICI: Teoria quantistica dell'oscillatore armonico; Teoria di Einstein del calore specifico nei solidi; Teoria di Debye del calore specifico nei solidi; Stima della temperature e del vettore d'onda di Debye e interpretazione fisica;

Ashcroft & Mermin, "Solid State Physics"

L’apprendimento verrà verificato tramite una prova orale, consistente in una serie di domande riguardanti il programma riportato nella sezione “Contenuti”. Gli studenti e studentesse dovranno dimostrare durante la prova orale sia l’apprendimento degli argomenti trattati a lezione sia la capacità di esporli in maniera formale e di saperli applicare a casi reali semplici. La prova orale ha tipicamente una durata di circa 20-30 minuti, e consisterà in due/tre domande sui contenuti 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.
Le abilità dimostrate nel riprodurre le dimostrazioni matematiche e la comprensione fisica dei concetti esposti saranno considerate di eguale 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.

orale

Gli argomenti saranno trattati tramite lezioni frontali