OBIETTIVI FORMATIVI

Acquisizione di conoscenze e metodologie sperimentali avanzate di termodinamica applicata alle basse temperature e alla rivelazione di radiazioni, sensori termici ed elettronica associata.

OBIETTIVI FORMATIVI (DETTAGLIO) E RISULTATI DI APPRENDIMENTO

L’obiettivo del corso è l’acquisizione di conoscenze e metodologie sperimentali del vuoto e delle basse temperature per lo studio sperimentale di sistemi termodinamici complessi quali quelli superfluidi e superconduttivi. Il corso si conclude con lo studio sperimentale di uno o due tra i seguenti dispositivi a bassa temperatura che sono di interesse per le applicazioni scientifiche tecnologiche: giunzioni superconduttrici (SIS), dispositivi a interferenza quantistica (SQUID), punti quantici (QDot) e single electron transistor (SET), bolometri e calorimetri superconduttivi (TES). Le tecnologie del vuoto e della produzione di basse temperature e, anche se in maniera ancora sporadica, quelle dei dispositivi a bassa temperatura, sono ormai utilizzate da molte industrie (Thales Alenia Space (Mi), Kaiser Italia (Li), Simic(Cn), Rial Vacuum(Pr), Pasquali MicrowaveSystem(Fi), ASG(Ge), Columbus(Ge), Agilent Technologies (To),...), pertanto questi argomenti hanno valore professionalizzante. Recentemente le abilità in questi campi sono apprezzate negli sviluppi per la computazione quantistica   che sono in corso in diverse universita e centri di ricerca pubblici e privati.

PREREQUISITI

MODALITA' DIDATTICHE

Lezioni frontali in aula e 6 esperienze pomeridiane di 4 ore circa nel laboratorio didattico di basse temperature. I testi indicati e gli  appunti di lezione, che  saranno pubblicati sul sito Aulaweb, rappresentano i principali ausilii didattici. Le esperienze vengono introdotte a lezione mentre i dettagli dell'escuzione sono discussi prima dell'inizio dell'esperienza.

PROGRAMMA/CONTENUTO

Vuoto: pompe primarie sigillate a fluido e a secco, pompe turbomolecolari, a fluido, getter e ioniche, misura del vuoto con trasduttori meccanici, termici, ionici a catodo caldo e freddo. Criogenia: cicli Stirling e Gifford Mac Mahon, tubi pulsati, liquefazione dei gas e espansione Joule-Thomson, liquefattori per l’azoto e per l’elio, refrigerazione magnetica, refrigeratori a diluizione. Misure di temperatura: scala assoluta di temperatura e standard fino al mK, termometri primari e scondari. Fisica di alcuni sistemi a bassa temperatura: conduzione elettrica e termica, superfluidità e transizione lambda, He-I e He-II e modello di London, effetti termomeccanici, superconduttività e le sue evidenze sperimentali, classificazione in superconduttori di tipo I e II, elementi della teoria microscopica BCS e gap proibita, termodinamica del superconduttore e elementi della teoria di Ginzburg Landau. Fisica di alcuni dispositivi a bassa temperatura, uno o due selezionati tra:  giunzioni superconduttrici (SIS), dispositivo a interferenza quantistica (SQUID), punti quantici (QDot)e single electron transistor (SET), bolometri e calorimetri superconduttivi (TES). 

Argomenti delle Esperienze: 1- raffreddamento con LHe e misura del’ingresso termico di un criostato;  2- termometria assoluta al Kelvin con calibrazione di un termometro secondario; 3 - transizione di fase lambda HeI-He-II e superfluidità; 4-transizione dallo stato di conduzione normale a quello superconduttiva; 5- caratteristica IV di una giunzione tunnel Superconduttore-Isolante-Superconduttore e gap proibita; 6. interferanza quantistica nello SQUID.  

TESTI/BIBLIOGRAFIA

Zemansky: “Calore e Termodinamica”; G.K.White:“Experimental Techniques in low temperature physics” ; R. Richardson, E. Smith: “Experimental Techniques in Condensed Matter Physics and Low temperature”; O.V. Lounasma:“Experimental Principles and Methods Below 1K” .