SUPERCONDUCTIVITY AND QUANTUM MATERIALS SCIENCE

Il corso Superconductivity and Quantum Materials Science rientra tra le attività formative del curriculum in Quantum Science and Technology del Corso di Laurea Magistrale in Engineering Physics. L’insegnamento fornisce agli studenti conoscenze e strumenti concettuali per comprendere i fondamenti della scienza dei materiali quantistici e della superconduttività, con attenzione sia agli aspetti di base sia alle possibili applicazioni tecnologiche.

Il corso offre una panoramica di diverse classi di materiali quantistici, ossia materiali che presentano proprietà non convenzionali derivanti direttamente dagli effetti della meccanica quantistica su scala macroscopica. Tali materiali sono già alla base di tecnologie di largo impiego, come i magneti superconduttori utilizzati nella risonanza magnetica e i sensori a magnetoresistenza gigante impiegati nei dispositivi di memorizzazione magnetica.

Tra le proprietà emergenti dei materiali quantistici, particolare rilievo sarà dato alla superconduttività, sia per la sua rilevanza scientifica sia per il suo potenziale applicativo. La possibilità di trasportare corrente elettrica senza dissipazione energetica rende infatti i materiali superconduttori particolarmente promettenti in una prospettiva di innovazione tecnologica e sostenibilità. Le loro applicazioni spaziano dai sistemi avanzati per la distribuzione dell’energia ai trasporti a levitazione magnetica, fino a numerose tecnologie per la medicina, la ricerca e l’elettronica quantistica. In questo contesto, la ricerca di materiali con temperatura critica sempre più elevata rappresenta una delle frontiere più attive e promettenti della fisica della materia contemporanea.

L’insegnamento affronta quindi temi di forte attualità nella ricerca internazionale in fisica della materia condensata, in coerenza con le linee di sviluppo scientifico del Dipartimento di Scienze Molecolari e Nanosistemi. Gli studenti acquisiranno strumenti teorici per descrivere e analizzare i principali modelli fisici alla base del comportamento dei materiali quantistici e dei superconduttori. Il corso introdurrà inoltre alcune tecniche sperimentali moderne utilizzate per la caratterizzazione e lo studio di tali materiali.

Al termine dell’insegnamento, gli studenti avranno sviluppato una comprensione critica dei principali temi della letteratura scientifica contemporanea nel campo dei materiali quantistici e della superconduttività, acquisendo competenze utili per affrontare attività di ricerca e innovazione tecnologica in questo ambito.

1. Conoscenza e capacità di comprensione
Al termine dell’insegnamento, lo studente sarà in grado di:
- conoscere e comprendere le proprietà fondamentali dei superconduttori a bassa e ad alta temperatura critica;
- comprendere i concetti principali della teoria BCS, quali coppie di Cooper e gap di energia;
- conoscere le principali proprietà fisiche, le caratteristiche e i diagrammi di fase di diverse classi di materiali quantistici;
- comprendere, più in generale, il ruolo della cultura scientifica nei processi di innovazione delle tecnologie moderne.

2. Capacità di applicare conoscenza e comprensione
Al termine dell’insegnamento, lo studente sarà in grado di:
- applicare le equazioni di London per descrivere e interpretare le proprietà elettromagnetiche dei superconduttori;
- utilizzare la teoria di Ginzburg–Landau per descrivere le principali lunghezze caratteristiche dei superconduttori, quali lunghezza di penetrazione e lunghezza di coerenza;
- distinguere e spiegare, sulla base dei modelli teorici studiati, le differenze tra superconduttori di tipo I e di tipo II.

3. Autonomia di giudizio
Al termine dell’insegnamento, lo studente sarà in grado di:
- valutare la consistenza logica dei risultati ottenuti, sia in ambito teorico sia nell’analisi di dati sperimentali;
- riconoscere eventuali errori o incongruenze attraverso un’analisi critica dei metodi applicati.

4. Abilità comunicative
Al termine dell’insegnamento, lo studente sarà in grado di:
- comunicare in modo chiaro ed efficace i contenuti appresi, utilizzando una terminologia scientifica appropriata, sia in forma orale sia scritta;
- interagire con il docente e con i colleghi in modo rispettoso, costruttivo e pertinente, in particolare durante le attività di confronto e di lavoro di gruppo.

5. Capacità di apprendimento
Al termine dell’insegnamento, lo studente sarà in grado di:
- raccogliere e organizzare in modo efficace gli appunti e le informazioni acquisite, distinguendo i contenuti in base alla loro rilevanza;
- sviluppare un adeguato grado di autonomia nella ricerca e nella selezione di dati e informazioni pertinenti rispetto ai problemi affrontati.

Il corso non prevede requisiti formali. Tuttavia, i contenuti trattati fanno riferimento a conoscenze di base tipicamente acquisite nei corsi di laurea triennale, in particolare in Fisica I, Fisica II (con speciale riferimento all’elettromagnetismo), Meccanica Quantistica e Fisica dello Stato Solido.

Il corso può essere seguito sia in modo indipendente sia in concomitanza con l’insegnamento di Modern Condensed Matter Theory.

I temi trattati, molti dei quali caratterizzati da notevole complessità e in alcuni casi collocati al confine della ricerca contemporanea, saranno presentati privilegiandone il significato fisico, così da evitare che il formalismo matematico ne oscuri la comprensione concettuale. Pur trattandosi di un corso incentrato prevalentemente sui fondamenti teorici della superconduttività e dei materiali quantistici, alcuni argomenti saranno illustrati anche attraverso riferimenti a tecniche sperimentali attualmente impiegate nella fisica della materia condensata.

Il corso si articolerà in tre aree principali, spesso strettamente interconnesse tra loro.

SUPERCONDUTTIVITA'
- fenomenologia della superconduttività: trasporto, suscettibilità magnetica e proprietà termodinamiche;
- equazioni di London, proprietà elettromagnetiche e lunghezza di penetrazione;
- teoria di Ginzburg–Landau: lunghezza di coerenza, superconduttori di tipo I e di tipo II;
- teoria BCS: coppie di Cooper e gap di energia;
- tunneling di coppie di Cooper ed effetto Josephson;
- dispositivi superconduttori: giunzioni SNS e SIS, SQUID e rivelatori di fotoni superconduttivi;
- panoramica delle principali applicazioni della superconduttività;
- superconduttori cuprati ad alta temperatura critica: struttura cristallina, parametro d’ordine e diagramma di fase, con particolare attenzione a fase strange metal, pseudogap e onde di densità di carica.

MATERIALI QUANTISTICI
- materiali di Dirac: grafene, isolanti topologici e semimetalli di Weyl;
- altri superconduttori non convenzionali: superconduttori a base di ferro, nickelati infinite-layer e grafene a doppio strato ad angolo magico.

TECNICHE SPERIMENTALI
- tecniche di sintesi di materiali quantistici: esempi selezionati di processi di deposizione;
- tecniche basate su radiazione di sincrotrone per lo studio dei materiali quantistici e la ricostruzione dei loro diagrammi di fase: esempi selezionati di spettroscopia a raggi X;
- diffusione elastica e anelastica di neutroni e raggi X per lo studio di eccitazioni di carica e magnetiche.

- J.R. Waldram: Superconductivity of Metals and Cuprates

Il raggiungimento degli obiettivi formativi dell’insegnamento viene verificato attraverso la partecipazione alle attività proposte durante il corso (quiz) e mediante un esame finale orale.

L’esame finale si svolge in lingua inglese e consiste in un unico colloquio articolato in due parti:

1. Seminario individuale
Lo studente dovrà tenere un seminario di 20–25 minuti su un argomento preventivamente assegnato dal docente; sono comunque ben accetti suggerimenti da parte dello studente. Nel corso della presentazione, lo studente dovrà esporre in modo corretto, chiaro e completo i concetti generali relativi al tema assegnato, includendo esempi coerenti con il livello delle lezioni e del testo di riferimento. Saranno positivamente valutati eventuali approfondimenti personali, esempi originali, applicazioni e collegamenti con altri argomenti del corso, in quanto indicatori di una comprensione più matura e critica. La forma consigliata per il seminario è una presentazione PowerPoint, ma è possibile anche svolgerlo alla lavagna.

2. Discussione orale sugli argomenti fondamentali del corso
La seconda parte dell’esame consiste in due o tre domande riguardanti i contenuti fondamentali del corso, così come presentati durante le lezioni. Lo studente dovrà rispondere dimostrando di aver acquisito una comprensione solida dei concetti di base; ove opportuno, potrà avvalersi del supporto della lavagna. Nella valutazione saranno considerati di pari importanza sia gli aspetti teorici sia quelli sperimentali.

Gli studenti frequentanti potranno ottenere un bonus attraverso la partecipazione ai quiz proposti durante il corso. Tale bonus sarà aggiunto alla valutazione della prova orale e/o potrà comportare una riduzione del numero di domande relative al nucleo fondamentale del corso.

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 PowerPoint;
- attività di lavoro di gruppo;
- esercitazioni e quiz svolti in aula.

Attraverso la piattaforma Moodle di Ateneo saranno resi disponibili:
- il materiale didattico presentato durante le lezioni;
- materiali integrativi per l’approfondimento di specifici argomenti trattati nel corso;
- le registrazioni delle lezioni.

Il programma è da intendersi come provvisorio e potrà essere soggetto a variazioni nel corso dell’anno accademico.

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