PRESENTAZIONE

L'insegnamento fornisce una base teorica per comprendere le proprietà quantistiche di sistemi  elettronici e 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

Il compito principale del presente corso è quello di presentare una panoramica sul comportamento di  sistemi quantistici 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 sia  elettronici che fotonici, evidenziando aspetti fondamentali della meccanica quantistica 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;
• calcolare proprietà di correlazione e di interferenza a singolo e doppio fotone.

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 sia elettronici che fotonici.  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 ai sistemi fotonici e 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.

Sistemi 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

• 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

Consultare il calendario al link: 

https://corsi.unige.it/corsi/9012/studenti-orario

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.

Calendario appelli