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, con particolare riferimento a quelli usati nelle tecnologie dell’informazione e quantistiche.
2. Fornire agli studenti le competenze per calcolare qualitativamente le proprietà principali dei materiali usando semplici modelli e approssimazioni.
A partire dalla struttura elettronica dei solidi, il modulo tratterà il trasporto elettronico e quantistico, i materiali di Dirac e topologici, il magnetismo e la spintronica. 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.

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
• Applicare 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.

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. Teoria delle bande e metodo LCAO, con esempi di calcolo.
2. Grafene e materiali di Dirac.
3. Vibrazioni reticolari e fononi.
4. Teoria del trasporto di Boltzmann.
5. Conduzione elettrica nei metalli.
6. Breve introduzione alle proprietà ottiche dei materiali.
7. Diamagnetismo e paramagnetismo.
8. Effetto Hall e magnetoresistenza.
9. Fase di Berry e materiali topologici.
10. Ferromagnetismo e antiferromagnetismo. Sistemi con momenti magnetici localizzati rispetto al magnetismo itinerante.
11. Magnetismo avanzato: anisotropia, domini, isteresi e dinamica.
12. Spintronica: GMR, TMR, torque di spin e dispositivi.

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)
Harald Ibach and Hans Lüth, Solid-State Physics: An Introduction to Principles of Materials Science, Fourth Edition (Springer, 2009)
Stephen Blundell, Magnetism in Condensed Matter (Oxford University Press, 2001)
Eventuali dispense fornite dal docente e materiali aggiuntivi su argomenti specifici potranno essere suggeriti durante le lezioni.

Il raggiungimento degli obiettivi formativi dell'insegnamento viene verificato attraverso la partecipazione alle attività proposte durante il corso (quiz ed esercitazioni) e mediante un esame finale orale.
L'esame finale consiste in un unico colloquio articolato in due parti.
1. Approfondimento individuale: lo studente presenterà un approfondimento su un argomento concordato con il docente, affine ai temi trattati durante il corso, con l'obiettivo di applicare a un tema nuovo le conoscenze acquisite. L'approfondimento potrà comprendere la discussione critica dei risultati di uno o più articoli scientifici rilevanti, nonché la risposta a una serie di domande assegnate, sia di carattere qualitativo sia quantitativo. Nel corso della presentazione lo studente dovrà esporre in modo corretto e chiaro i concetti relativi al tema, collegandoli a quanto affrontato a lezione. Saranno valutati positivamente il contributo personale, gli esempi originali e i collegamenti con altri argomenti trattati, in quanto indicatori di una comprensione matura e critica. La forma consigliata è l'uso di una presentazione PowerPoint, che andrà inviata al docente prima dell'esame orale, entro i termini concordati a lezione.
2. Discussione orale sugli argomenti fondamentali del corso: la seconda parte consiste in alcune domande sui contenuti fondamentali del corso, così come presentati durante le lezioni. Lo studente dovrà dimostrare una comprensione solida dei concetti di base e potrà essere invitato a impostare un semplice problema. Nella valutazione saranno considerati di pari importanza gli aspetti teorici e quelli sperimentali.
Gli studenti frequentanti potranno ottenere un bonus partecipando ai quiz e alle esercitazioni proposti durante il corso; il bonus sarà aggiunto alla valutazione dell'esame orale.

orale

Il/la docente ha il dovere di vigilare affinché siano rispettate le regole di autenticità e originalità delle prove d'esame. Di conseguenza, nei casi in cui vi sia il sospetto di un comportamento irregolare, l'esame può prevedere un ulteriore approfondimento, contestuale alla prova d'esame, che potrà essere realizzato anche in modalità differente rispetto alle modalità sopra riportate.

Una valutazione eccellente (27-30/30) corrisponde a una prova in cui lo studente dimostra una solida, ampia e ben organizzata padronanza dei concetti affrontati durante il corso, nonché la capacità di collegare in modo critico i diversi argomenti trattati.
Una valutazione intermedia (22-26/30) corrisponde a una preparazione complessivamente buona, con una comprensione abbastanza completa dei singoli argomenti, ma con limitata capacità di stabilire connessioni tra i diversi temi del corso.
Una valutazione sufficiente (18-21/30) corrisponde al raggiungimento dei requisiti minimi di apprendimento, con una conoscenza essenziale dei contenuti fondamentali del corso.
L'eventuale attribuzione della lode sarà riservata a prove eccellenti, caratterizzate non solo da piena padronanza dei contenuti, ma anche da chiarezza espositiva, autonomia di giudizio e capacità di approfondimento critico.

L'insegnamento è erogato attraverso lezioni frontali, durante le quali il docente si avvale della lavagna e/o della proiezione di presentazioni, attività di lavoro di gruppo ed esercitazioni in aula. Agli studenti vengono assegnate letture da svolgere a casa, riprese tramite quiz a inizio lezione e successiva discussione. È inoltre prevista la lettura critica di articoli di ricerca, discussi in aula con il docente e con gli altri studenti.

Questo insegnamento tratta argomenti connessi alla macroarea "Città, infrastrutture e capitale sociale" e concorre alla realizzazione dei relativi obiettivi ONU dell'Agenda 2030 per lo Sviluppo Sostenibile