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.

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.

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 argomenti saranno trattati tramite lezioni frontali, in cui le teorie oggetto del corso saranno presentate a partire dalle ipotesi e i risultati delle teorie stesse saranno derivati tramite passaggi matematici e approssimazioni basate su considerazioni fisiche.