Questo insegnamento, che si colloca nel primo semestre del terzo anno, intende fornire le basi teoriche e sperimentali da utilizzare nello studio della struttura fisica della materia e della fisica dello stato solido con particolare riferimento alle proprietà fondamentali per le applicazioni nel settore delle tecnologie dell'informazione e della comunicazione (ICT).
Il corso è suddiviso in tre parti: nella prima sono trattati gli aspetti fondamentali della fisica quantistica dei sistemi a molti corpi, partendo dagli atomi complessi e dai sistemi molecolari, per giungere alla descrizione elementare dell'interazione microscopica radiazione-materia. Nella seconda lo studente apprende nozioni basilari della struttura e della fisica dei solidi cristallini ideali, acquisendo gli strumenti essenziali per studiare le proprietà di conduzione termica e di conduzione elettrica di materiali reali, arrivando a porre le basi per la comprensione di fenomeni quali la superconduttività. Nella parte di laboratorio, lo studente sviluppa la capacità di effettuare misurazioni accurate di grandezze fisiche tipiche di materiali di interesse applicativo.
Le conoscenze conseguite formano la base irrinunciabile per la comprensione dei successivi insegnamenti di Fisica avanzata della Materia presenti in questo corso di studi ed in tutte le Lauree Magistrali alle quali il laureato in Ingegneria fisica può accedere senza debiti formativi.
Le abilità raggiunte riguardano la formalizzazione e risoluzione di problemi di fisica della materia condensata e dello stato solido (struttura cristallina, bande elettroniche, fononi, materiali superconduttori) e l'effettuazione di misure sperimentali delle proprietà conduttive di materiali e dispositivi.

Le conoscenze trasmesse allo studente riguardano:

- il comportamento fisico di atomi a più elettroni e di molecole semplici.
- i fenomeni connessi con l'interazione fra campo elettromagnetico radiante e materia.
- le tecniche sperimentali e teoriche per lo studio della struttura e delle simmetrie dei solidi cristallini.
- gli effetti delle simmetrie dei cristalli sulle proprietà termiche, elettriche, ottiche di solidi cristallini.
- le proprietà di conduzione termica ed elettrica in metalli, semiconduttori, superconduttori ed isolanti, analizzate attraverso una tecnica quantistica rigorosa.
- le tecniche sperimentali per lo studio delle proprietà elettroniche dei solidi

Le abilità trasmesse consistono:

- nell'applicazione delle statistiche quantistiche alla materia condesata.
- nell'applicazione della la teoria delle perturbazioni a sistemi quantistici complessi.
- nella misurazione di proprietà fisiche di materiali e dispositivi allo stato solido per realizzare esperienze di laboratorio, anche complesse.

Le conoscenze ritenute già acquisite riguardano tutta la Fisica di base (meccanica, termodinamica, elettromagnetismo, ottica ondulatoria, elementi di struttura della materia), la Meccanica quantistica ondulatoria ed il formalismo di Dirac, la Meccanica statistica e le statistiche quantistiche per fermioni e bosoni.

Le abilità che gli studenti devono già possedere riguardano l'applicazione dei principi della meccanica quantistica e statistica a sistemi semplici; l'approccio ai problemi attraverso l'applicazione dell'analisi matematica avanzata e dei metodi matematici per l'Ingegneria

Atomi a molti elettroni, interazione elettrone-elettrone; molecole semplici e interazione di scambio;
gas di Fermi e screening (2 cr)
Hamiltoniana di un solido e sue approssimazioni. Reticolo diretto e reciproco, cristalli e diffrazione di raggi X. Energia di coesione (0.7 cr)
Simmetrie di traslazione e stati elettronici dinamici in un cristallo. Teorema di Bloch e struttura a bande. Trasporto elettrico e fenomeni termoelettrici in metalli ed isolanti. Proprietà elettriche dei semiconduttori (2 cr)
Fononi, crystal momentum. Processi di scattering fonone-fonone e proprietà termiche dei cristalli (2 cr)
Definizione delle proprietà ottiche della materia e meccanismi di interazione radiazione-materia (0.8 cr)
Interazione elettrone-fonone, introduzione alla superconduttività e alle proprietà dei materiali superconduttori (1.5 cr)
Strumentazione e suo utilizzo (princìpi fisici ed attività di laboratorio) (1 cr)

L’attività sperimentale in laboratorio comprende le seguenti attività:

- Misura di proprietà di trasporto di metalli e semiconduttori (omostrutture, eterostrutture, giunzioni Schottky)
- Misura proprietà ottiche di semiconduttori

Tutte le esperienze vengono effettuate in laboratorio dagli studenti, a piccoli gruppi e sotto la supervisione di personale esperto, utilizzando strumentazione non virtuale. Gli studenti devono redigere a gruppi una relazione dettagliata su ciascuna delle esperienze cui hanno preso parte.

N. W. Ashcroft ' N. D. Mermin, Solid state physics (Brooks Cole)

Appunti resi disponibili dal docente sul portale della didattica

L'esame finale comprende uno scritto e un orale. Lo scritto della durata di 45 minuti comprende quesiti a risposta chiusa su una parte degli argomenti del corso. Il voto massimo conseguibile è pari a 10 trentesimi.
I rimanenti argomenti del corso saranno oggetto di un’orale della durata di 30-40 minuti circa la cui valutazione massima è pari a 20 trentesimi.
Gli argomenti su cui verteranno le due prove saranno indicati dal docente a inizio corso e caricati sul portale della didattica
Le relazioni scritte sull’attività di laboratorio saranno valutate fino ad un massimo 2 trentesimi da aggiungere a quelli accumulati con le prove scritta ed orale.