PRESENTAZIONE

L'insegnamento fornisce una base teorica per comprendere le proprietà quantistiche e statistiche fuori equilibrio di sistemi  elettronici e fotonici.

OBIETTIVI E CONTENUTI

OBIETTIVI FORMATIVI

L'insegnamento fornisce una base teorica per comprendere le proprietà quantistiche fuori equilibrio di  sistemi  a molti corpi sia elettronici che fotonici. Obiettivo principale è fornire un quadro esaustivo  del loro comportamento evidenziando, nel regime fuori equilibrio, fenomeni prettamente quantistici quali la quantizzazione, l’interferenza e la correlazione. Saranno forniti i fondamenti e le metodologie teoriche necessarie per la trattazione e comprensione di questi sistemi.

OBIETTIVI FORMATIVI (DETTAGLIO) E RISULTATI DI APPRENDIMENTO

Il compito principale del presente insegnamento è quello di presentare una panoramica sul comportamento di  sistemi quantistici a molti corpi sia elettronici che fotonici, fornendo un chiaro background teorico per poterli comprendere. Una particolare attenzione verrà rivolta alle proprietà fuori equilibrio di tali sistemi.

Al termine di questo insegnamento, lo studente sarà in grado di:

• descrivere la fisica dei sistemi quantistici a molti corpi, sia  elettronici che fotonici, evidenziando aspetti fondamentali della meccanica quantistica statistica anche fuori equilibrio;
•  utilizzare strumenti matematici quali ad esempio le funzioni di Green e le equazioni maestre per manipolare ed ottenere risultati su proprietà fisiche dei sistemi quantistici;
• applicare strumenti dell’approccio della teoria della risposta lineare a sistemi quantistici posti fuori equilibrio;
• calcolare proprietà di trasporto nel regime quantistico per differenti sistemi elettronici quali ad esempio i fili unidimensionali, i quantum dot e i liquidi Hall;
• comprendere le principali caratteristiche di un laser;
• calcolare le proprietà di correlazione e di interferenza a singolo e doppio fotone.

PREREQUISITI

Insegnamento di Fisica della Materia 2

MODALITA' DIDATTICHE

Le lezioni saranno frontali alla lavagna. Verranno ricavate, calcolate e spiegate le proprietà fisiche trattate. Ci si avvarrà anche di presentazioni con slides  per quanto riguarda gli aspetti di  misure sperimentali associate ai fenomeni fisici trattati.

PROGRAMMA/CONTENUTO

Nella prima parte dell'insegnamento si presentano aspetti di carattere più generale relativi alla trattazione teorica di fenomeni fuori equilibrio con l'introduzione della teoria della risposta lineare. Nella seconda parte vengono illustrati molteplici aspetti strettamente legati ai sistemi quantistici a molti corpi sia elettronici che fotonici.  Il programma dettagliato è il seguente.

Teoria quantistica della risposta lineare e funzioni di Green

• Evoluzione temporale della matrice densità fuori equilibrio e formula di Kubo.
• Proprietà della funzione di Green di risposta, relazioni di Kramers-Kroening.
• Esempi.
• Teorema  Fluttuazione-Dissipazione quantistico e rumore termico nei conduttori.

Sistemi elettronici               

• Eterostrutture a semiconduttore e gas elettronico bidimensionale. Processi di scattering nei solidi: trasporto ballistico e diffusivo.
• Fili quantici: Quantizzazione della conduttanza. Conduttanza a due e quattro terminali e relative misure. Formula di Landauer per trasporto in presenza di barriere di potenziale. 
• Quantum dots: aspetti tecnologici e descrizione teorica, proprietà di trasporto a singolo elettrone
• Effetto Aharonov-Bohm. Integrali di cammino di Feynman, fase della funzione d'onda. Spiegazione di esperimenti su nano-anelli.
• Effetto Hall quantistico intero: aspetti classici, descrizione quantistica, livelli di Landau. Disordine e stati di bordo nell'effetto Hall intero. Cenni all'effetto Hall frazionario e alle statistiche frazionarie. Introduzione ai sistemi topologici in 2 dimensioni.

Sistemi fotonici

             Laser

• Introduzione al laser: emissione stimolata e coefficienti di Einstein,  inversione di popolazione, guadagno, schema di pompaggio a tre livelli. Cavità risonanti.
•  Realizzazione pratica di alcuni tipi di laser: Laser a stato solido (esempio del rubino),  Laser a semiconduttore (ridiscussione dei processi di emissione stimolata fra bande, progettazione del laser attraverso una giunzione pn ed eterogiunzioni). Laser e LED con quantum dot.

            Ottica quantistica

• Stati quantistici della radiazione: stati di Fock, stati coerenti e stati squeezed.
• Funzioni di coherenza di Glauber, fotodetezione e coincidenze.
• Interferometri a singolo fotone: Mach-Zehnder e Fabry-Pérot; Interferometri di intensità:  Hanbury-Brown-Twiss e Hong-Ou-Mandel.

TESTI/BIBLIOGRAFIA

POSSIBILI LIBRI PER SUPPORTO ALLE DIVERSE PARTI DEL CORSO

• H. Bruus, K. Flensberg, "Many-body Quantum Theory in Condensed Matter Physics" Oxford University Press (2004).
• G.F. Giuliani, G. Vignale. "Quantum theory of the electron liquid". Cambridge Univ. Press (2005)
• Y.V. Nazarov, Y.M. Blanter. "Quantum Transport. Introduction to Nanoscience". Cambridge Univ. Press (2009). 
• T. Ihn. "Semiconductor Nanostructures" Oxford University Press (2010).
•  Mark Fox “Quantum Optics. An introduction”.
• Rodney Loudon “The Quantum Theory of Light”.
• S. Haroche, J.-M. Raimond “Exploring the quantum. Atoms, Cavities, and Photons.”

DOCENTI E COMMISSIONI

Commissione d'esame

MAURA SASSETTI (Presidente)

DARIO FERRARO

FABIO CAVALIERE (Presidente Supplente)

LEZIONI

INIZIO LEZIONI

Dal 17 febbraio 2025 secondo l'orario riportato qui 

ESAMI

MODALITA' D'ESAME

La prova di esame consiste in una prova orale.

Per gli studenti con disabilità o con DSA si rimanda alla sezione Altre Informazioni.

MODALITA' DI ACCERTAMENTO

L'esame orale è sempre condotto dal docente responsabile e da un altro esperto della materia (di solito il co-docente) ed ha una durata di circa 40 minuti.  E’ articolato su una parte predefinita e sviluppata dallo studente e da ulteriori domande che vertono su tutto il  programma d’esame.

Cio' consente alla commissione di giudicare, oltre che la preparazione, il grado di raggiungimento degli obiettivi di comunicazione, autonomia e chiarezza logica nell'esposizione.

Con queste modalità, e vista l'esperienza pluriennale di esami nella disciplina da parte dei docenti della Commissione d'esame, è possibile verificare con elevata accuratezza il raggiungimento degli obiettivi formativi dell'insegnamento. Quando questi non sono raggiunti, lo studente è invitato ad approfondire lo studio e ad avvalersi di ulteriori spiegazioni da parte del docente titolare.

Calendario appelli

ALTRE INFORMAZIONI

Si ricorda alle studentesse e agli studenti con disabilità o con disturbi specifici dell'apprendimento (DSA) che per poter richiedere adattamenti in sede d'esame occorre prima inserire la certificazione sul sito web di Ateneo alla pagina servizionline.unige.it nella sezione “Studenti”. La documentazione sarà verificata dal Settore servizi per l’inclusione degli studenti con disabilità e con DSA dell’Ateneo, come indicato sul sito federato al link: FISICA 9012 | Studenti con disabilità e/o DSA | UniGe | Università di Genova | Corsi di Studio UniGe

Successivamente, con significativo anticipo (almeno 10 giorni) rispetto alla data di esame occorre inviare una e-mail al/alla docente con cui si sosterrà la prova di esame, inserendo in copia conoscenza sia il docente Referente di Scuola per l'inclusione degli studenti con disabilità e con DSA (sergio.didomizio@unige.it) sia il Settore sopra indicato. Nella e-mail occorre specificare:

•            la denominazione dell’insegnamento

•            la data dell'appello

•            il cognome, nome e numero di matricola dello studente

•            gli strumenti compensativi e le misure dispensative ritenuti funzionali e richiesti.

Il/la referente confermerà al/alla docente che il/la richiedente ha diritto a fare richiesta di adattamenti in sede d'esame e che tali adattamenti devono essere concordati con il/la docente. Il/la docente risponderà comunicando se sia possibile utilizzare gli adattamenti richiesti.

Le richieste devono essere inviate almeno 10 giorni prima della data dell’appello al fine di consentire al/alla docente di valutarne il contenuto. In particolare, nel caso in cui si intenda usufruire di mappe concettuali per l’esame (che devono essere molto più sintetiche rispetto alle mappe usate per lo studio) se l’invio non rispetta i tempi previsti non vi sarà il tempo tecnico necessario per apportare eventuali modifiche.

Per ulteriori informazioni in merito alla richiesta di servizi e adattamenti consultare il documento: Linee guida per la richiesta di servizi, di strumenti compensativi e/o di misure dispensative e di ausili specifici