FISICA DEI NANOSISTEMI

Anno accademico 2018/2019 - 2° anno
Docenti: Giuseppe FALCI e Alessandro RIDOLFO
Crediti: 9
SSD: FIS/03 - Fisica della materia
Organizzazione didattica: 225 ore d'impegno totale, 146 di studio individuale, 49 di lezione frontale, 30 di esercitazione
Semestre:
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Obiettivi formativi

Il corso fornisce le nozioni di fisica di base, dagli elementi di fisica quantistica a cenni della teoria dei solidi e del trasporto quantistico, per la comprensione delle moderne Tencologie Quantistiche, descrivendone poi principi e fenomeni che ne sono alla base, e le applicazioni. L'obiettivo è quello di fornore allo studente abilità e competenze che complementino quelle di un curriculum in microelettronica, come (a) familiarità con le opportunità offerte dalla nanoelettronica e dalle tecnologie quantistiche; (b) capacità di utilizzare la meccanica quantistica in differenti contesti della ICT e delle nanotecnologie e valutare le diverse tecnologie dei nanosistemi; (c) acquisire una base per elaborare idee e proposte personali.

Il corso è motivato dalle esigneze multidisciplinari dei diversi settori industriali nel campo delle nanotecnologie, e della crescita del nuovo settore delle tecnologie quantistiche, che possono offrire nuove opportunità di lavoro e specializzazione ai nostri laureati.


Modalità di svolgimento dell'insegnamento

Lezioni frontali, esercizi e dimostrazioni con software dedicato. Saranno organizzati dei Seminari tenuti da ricercatori da Enti di Ricerca operanti nel settore della nanoelettronica.


Prerequisiti richiesti

Lo studente deve possedere gli elementi del linguaggio, ossia una buona conoscenza della fisica classica, e una conoscenza elementare della fisica dei dispositivi elettronici.

I prerequisiti comprendono:
– Meccanica classica e termodinamica (Fisica 1).
– Elettromagnetismo classico (Fisica 2).
– Elementi di algebra e analisi matematica: spazi vettoriali, trasformate integrali
– Concetti elementari di fisica dei dispositivi elettronici.


Frequenza lezioni

Non obbligatoria, ma caldamente suggerita.


Contenuti del corso

PARTE I: Meccanica Quantistica

  1. Fenomenologia del dualismo onda-particella [2,5,6]
  2. Meccanica ondulatoria [3,5,6]
  3. Alcuni problemi stazionari [3,5]
  4. Meccanica Quantistica e applicazioni illustrative [3,5,6]
  5. Metodi di approssimazione [3,5]
  6. Cenni di meccanica statistica [5,6]
  7. Solidi cristallini e trasporto semiclassico [1,5]

PARTE II: Nanostrutture

  1. Effetto tunnel ed effetti di charging [5,6]
  2. Sistemi a dimensionalità ridotta [5,6]
  3. Trasporto quantistico [4,5]

PARTE III: Tecnologie quantistiche

  1. Computazione quantistica [7]
  2. Comunicazione quantistica [7]

Testi di riferimento

[1] Neil W. Ashcroft and N. David Mermin. Solid State Physics. Holt Saunders, 1976.
[2] P. Mazzoldi, M. Nigro, C. Voci, Elementi di Fisica: Elettromagnetismo e Onde, Edises 2008.
[3] C. Cohen-Tannoudji, B. Diu, and F. Lalo ̈e. Quantum Mechanics - vol 1, volume 1. Wiley-Interscience Publication, 1977.
[4] Datta. Electronic Transport in Mesoscopic Systems. University Press, 1995. Cambridge
[5] G. Falci. Appunti del corso di fisica dei nanosistemi. 2018.
[6] G.W. Hanson. Fundamentals of Nanoelectronics. Prentice Hall, 2007.
[7] G. Benenti, G. Casati, G. Strini, Principles of Quantum Computation and Information, voll. 1 e 2, World Scientific, 2004



Programmazione del corso

 ArgomentiRiferimenti testi
1Dualismo onda-particella [2,5,6] 
2Meccanica Quantistica e applicazioni illustrative[3,5,6] 
3Meccanisca statistica e gas di Fermi[5,6] 
4Solidi cristallini e trasporto semiclassico[1,5] 
5Tunneling ed effetti di charging[5,6] 
6Sistemi a dimensionalità ridotta[5,6] 
7Trasporto quantistico[4,5] 
8Tecnologie Quntistiche[9] 

Verifica dell'apprendimento

Modalità di verifica dell'apprendimento

  • L'esame consiste di una prova scritta e di una eventuale prova orale.
  • La prova scitta si svolge su sei quesiti, senza l'ausilio di testi o appunti. I primi tre quesiti sono semplici e vanno svolti in maniera corretta e completa per il superamento della prova. Gli altri tre quesiti determinano una valutazione preliminare, che va da 18 a 27/30.
  • Sono previste durante il corso due prove in itinere. Nel caso in cui esse vengano superate, garantiscono un punto aggiuntivo alla valutazione preliminare.
  • Se la valutazione preliminare è superiore a 26, si procede alla prova orale. Essa comprende: (a) chiarimenti sulla prova scritta; (b) una domanda preliminare su dimensioni fisiche e unità di misura; (c) esposizione di un argomento scelto dal candidato tra tre proposti, di diverso grado di difficoltà. Il superamento dell'esame dipende dalle prove (a) e (b) mentre la valutazione dipende dalla (c).
  • Chiarimenti di qualsiasi tipo su aspetti individuali della procedura d'esame saranno forniti solo dopo la chiusura della sessione.
  • Il voto formulato alla fine dell'esame, non è una media né una somma di voti parziali, ma é ottenuto da una valutazione qualitativa dell'esame nel suo complesso.
  • E' possibile, a richiesta dello studente entro il mese di ottobre, e previo assenso del docente, sostituire l'orale con un lavoro a carattere numerico. L'esame comprenderà una breve esposizione del tema, che determina il superamento della prova, e la presentazione dell'elaborato, che determina il voto.

Esempi di domande e/o esercizi frequenti

E' a disposizione nel materiale didattico del corso una raccolta di esercizi di esame.

Durante la prova orale saranno formulate domande sulla prova scritta, e domande che, prendendo spunto dall'esposizione dell'argomento, possono spaziare su tutto il programma svolto.

L'elaborato sostitutivo dell'orale consiste in un calcolo, da effettuare generalmente con l'ausilio di software dedicato, su un argomento relativo al corso. Alcuni esempi sono i seguenti:

  • Autovalori ed autovettori per potenziali scalari unidimensionali.
  • Moto di pacchetti d'onda unidimensionali in potenziali assegnati.
  • Calcolo di semplici strutture a bande: reticoli unidimensionali, quadrato o a nido d'api, cubico semplice.
  • Struttura a bande in cristalli fotonici e matamateriali.
  • Determinazione di correnti di tunneling mediante il metodo della transfer matrix.
  • Trasporto coerente in semplici reti quantistiche (di interesse come modelli di materiali per l'efficienza energetica).