OBIETTIVI FORMATIVI

L’insegnamento si prefigge di ottenere l’apprendimento dei concetti e delle metodologie più diffuse nella fisica dei solidi cristallini perfetti ed infiniti e di stimolare l’analisi critica di quali variazioni nelle proprietà comportino condizioni meno ideali, quali si possono trovare nei materiali reali e artificiali. Le varie approssimazioni e schematizzazioni sono sottolineate per formare quella attitudine modellistica che permette di risolvere problemi complicati mediante ingegnose semplificazioni.

OBIETTIVI FORMATIVI (DETTAGLIO) E RISULTATI DI APPRENDIMENTO

Lo studente acquisirà conoscenza dei pincipali metodi teorici e sperimentali per lo studio dei solidi.

MODALITA' DIDATTICHE

Lezioni frontali per elementi di teoria dei solidi e funzionamento pricipali tecniche sperimentali per lo studio dei solidi (40 ore)

Dimostrazione delle tecniche sperimentali (12 ore)

Modalità di esame: allo studente verrà chiesto di illustrare un argomento di sua scelta. Un secondo argomento verrà scelto dalla commissione d'esame.

PROGRAMMA/CONTENUTO

1) Stati della materia condensata: liquido, amorfo, solido. Struttura cristallina e legame chimico, Simmetria cristallina, reticolo diretto con esempi per diversi materiali. Strutture stabili e metastabili, minimi dell'energia libera del sistema, pressione interna di un solido dovuta al confinamento spaziale degli elettroni. Descrizione del solido in termini di piani reticolari e reticolo reciproco. Zone di Brillouin. Metodi per determinare la cristallografia. Scattering di particelle, fattore di forma e fattore di struttura. Cristalli e quasicristalli.

2) Approssimazione di particella non interagente, Hamiltoniano del sistema, approssimazione di Born Oppenheimer, approssimazioni di Hartree e Hartree Fock, teoria del funzionale densità e calcoli ab-initio,

3) Modello a jellio, introduzione del potenziale ionico mediante pseudopotenziali. Modello tight binding, Struttura a bande degli stati elettronici. Concetto di quasiparticella, significato di vettore d'onda. Esempi: modello a bande per Al ed Ag. Densità degli stati. Superficie di Fermi. Metalli, semiconduttori ed isolanti. 

4) Descrizione sperimentale dei solidi. Particelle sonda. Neutroni: sorgenti, guide d'onda, lenti, monocromatori, polarizzatori, rivelatori. Scattering coerente ed incoerente. Scattering elastico ed anelastico.

5) Dinamica reticolare e spettro fononico. Fononi acustici ed ottici. Misura dello spettro fononico con scattering anelastico di neutroni e di raggi X.

6) Descrizione elettrodinamica di un mezzo continuo. Risposta a campi elettrici esterni, funzione dielettrica, sua dipendenza da frequenza e momento . Modellizzazione della risposta dielettrica. Limiti  per alta e bassa frequenza. per metalli e non metalli. Eccitazioni elettroniche, frequenza di plasma e sua relazione con le proprietà ottiche. Plasmoni di superficie, plasmoni  in nanoparticelle, risonanza di Mie. Relazione con l'indice di rifrazione. Parte immaginaria della funzione dielettrica e transizioni interbanda. Indice di rifrazione negativo e metamateriali ottici. Materiali artificiali per fotonica, Fononica e Plasmonica. Eterostrutture.

7) Magnetismo. Modello di Heisenberg. onde di spin.

8) Interazione della luce con i solidi. Transizioni interbanda. Fotoemissione, plasmone di multipolo, Spettroscopie di soglia, EXAFS e NEXAFS. Opportunità fornite da sorgenti di luce di sincrotrone.  

9) Difetti nei solidi: difetti puntuali, difetti estesi, diffusione di vacanze ed atomi interstiziali. Dopanti nei semiconduttori. effetto dei difetti sulle proprietà meccaniche.

10) Superfici e solidi bidimensionali, perché hanno proprietà interessanti e diverse da quelle dei solidi tridimensionali.

TESTI/BIBLIOGRAFIA

Efthimios Kaxiras

Atomic and Electronic Structure of Solids

Cambridge University Press

Copie articoli forniti dal docente