TEORIA QUANTISTICA DI SISTEMI ELETTRONICI E FOTONICI

Informazioni in aggiornamento fino al 30/06/2026

CODICE	66800
ANNO ACCADEMICO	2026/2027
CFU	6 cfu anno 2 FISICA 11908 (LM-17 R) - GENOVA 6 cfu anno 1 FISICA 11908 (LM-17 R) - GENOVA
SETTORE SCIENTIFICO DISCIPLINARE	PHYS-04/A
LINGUA	Italiano (Inglese a richiesta)
SEDE	GENOVA
PERIODO	2° Semestre

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.
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.
Quantum dots: aspetti tecnologici e descrizione teorica: scale di energia, proprietà di trasporto a singolo elettrone, oscillazioni di Coulomb.

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).
M. Sassetti "Note relative a quanto svolto a lezione" (2025).
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

DARIO FERRARO

Ricevimento: I ricevimenti vengono concordati con gli studenti su appuntamento (via mail) o alla fine della lezione.

MAURA SASSETTI

Ricevimento: I ricevimenti vengono concordati con gli studenti su appuntamento e alla fine della lezione.

LEZIONI

INIZIO LEZIONI

Dal 17 febbraio 2025 secondo l'orario riportato qui

Orari delle lezioni

L'orario di questo insegnamento è consultabile all'indirizzo: Portale EasyAcademy

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.

ALTRE INFORMAZIONI

Strumenti compensativi e misure dispensative Disabilità/Invalidità/Disturbo Specifico dell'Apprendimento

Le misure dispensative e gli strumenti compensativi servono a mettere gli studenti in condizione di raggiungere gli stessi obiettivi di apprendimento dei compagni di studio, non a facilitare l'esame.

L’utilizzo di strumenti compensativi e l’applicazione di misure dispensative devono essere preventivamente autorizzati dal Docente titolare dell'insegnamento in accordo con il Referente.

Per usufruire degli adattamenti in sede di esame compila il Modulo per la richiesta di adattamenti; la richiesta verrà inviata automaticamente dal sistema al docente titolare dell’insegnamento, al Referente della tua Scuola/Area/Dipartimento e in copia conoscenza al Settore; inoltre anche tu riceverai copia della richiesta inviata tramite e-mail.

Gli adattamenti di cui gli studenti possono usufruire sono i seguenti: