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SISTEMI MESOSCOPICI E NANODISPOSITIVI

CODICE 66800
ANNO ACCADEMICO 2022/2023
CFU
  • 6 cfu al 2° anno di 9012 FISICA(LM-17) - GENOVA
  • 6 cfu al 1° anno di 9012 FISICA(LM-17) - GENOVA
  • 4 cfu al 1° anno di 9012 FISICA(LM-17) - GENOVA
  • SETTORE SCIENTIFICO DISCIPLINARE FIS/03
    SEDE
  • GENOVA
  • PERIODO 2° Semestre
    PROPEDEUTICITA
    Propedeuticità in ingresso
    Per sostenere l’esame di questo insegnamento è necessario aver sostenuto i seguenti esami:
    • FISICA 9012 (coorte 2021/2022)
    • FISICA DELLA MATERIA 2 61844
    • FISICA TEORICA 61842
    • FISICA NUCLEARE, DELLE PARTICELLE E ASTROFISICA 2 61847
    MATERIALE DIDATTICO AULAWEB

    PRESENTAZIONE

    L'insegnamento fornisce una base teorica per comprendere le proprietà quantistiche di sistemi e  nanodispositivi sia elettronici che fotonici.

    OBIETTIVI E CONTENUTI

    OBIETTIVI FORMATIVI

    L'insegnamento fornisce una base teorica per comprendere le proprietà di trasporto presenti nei nanodispositivi. Obiettivo principale è fornire un quadro esaustivo della fisica dei sistemi mesoscopici, evidenziando aspetti quantistici quali l'interferenza e la quantizzazione.

    OBIETTIVI FORMATIVI (DETTAGLIO) E RISULTATI DI APPRENDIMENTO

    L'obiettivo principale è quello di fornire le basi per comprendere la fisica dei sistemi quantistici sia  elettronici che fotonici, evidenziando aspetti fondamentali della meccanica quantistica anche fuori equilibrio. Per raggiungere tale obiettivo sara'  anche presentata la teoria della risposta lineare e una introduzione all'ottica quantistica. Particolare attenzione verra' posta all'analisi di risultati sperimentali e la relativa spiegazione teorica.

    MODALITA' DIDATTICHE

    Le lezioni saranno frontali alla lavagna. Verranno ricavate, calcolate e spiegate le proprietà fisiche trattate. Ci si avvalerà anche di presentazioni con slides soprattuto 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 e nanodispositivi  quantistici sia elettronici che fotonici con una introduzione all'ottica quantistica. Il programma dettagliato è  il seguente:

     

    Teoria della risposta lineare e funzioni di Green

    • Evoluzione temporale della matrice densità fuori equilibrio. Applicazioni alla conducibilità elettrica e al  tunneling tra metalli. Teorema  Fluttuazione-Dissipazione quantistico e rumore termico nei conduttori.

     

    Introduzione all'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.

     

    Nanodispositivi quantistici 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. Fase di Berry e suo legame con Aharonov-Bohm.  
    • 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.

     



     

     

    TESTI/BIBLIOGRAFIA

    POSSIBILI LIBRI PER SUPPORTO ALLE DIVERSE PARTI DEL CORSO

    1) H. Bruus, K. Flensberg, "Many-body Quantum Theory in Condensed Matter Physics" Oxford University Press (2004).

    2) G.F. Giuliani, G. Vignale. "Quantum theory of the electron liquid". Cambridge Univ. Press (2005). *

    3) Y.V. Nazarov, Y.M. Blanter. "Quantum Transport. Introduction to Nanoscience". Cambridge Univ. Press (2009). 

    4) T. Ihn. "Semiconductor Nanostructures" Oxford University Press (2010).

    5) Mark Fox “Quantum Optics. An introduction”.

    6) Rodney Loudon “The Quantum Theory of Light”.

    7) S. Haroche, J.-M. Raimond “Exploring the quantum. Atoms, Cavities, and Photons.”
     

    DOCENTI E COMMISSIONI

    LEZIONI

    Orari delle lezioni

    L'orario di tutti gli insegnamenti è consultabile su EasyAcademy.

    ESAMI

    MODALITA' D'ESAME

    La prova di esame consiste in una prova orale.

    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.