Questo insegnamento (2° semestre, 3° anno) intende fornire agli studenti in Ingegneria Fisica gli strumenti teorici indispensabili per la comprensione delle proprietà fisiche di alcune classi di materiali avanzati per applicazioni nei settori dell'ottica e fotonica, della sensoristica e delle applicazioni nel settore dell'informazione e della comunicazione (ICT) e della scienza dei materiali. Nell’ambito dell'insegnamento sono trattati i materiali per le applicazioni ottiche e fotoniche, nonché i processi di litografia avanzata per la realizzazione di micro e nanostrutture metallo-dielettriche. Le conoscenze conseguite formano una solida base per lo sviluppo completo della figura professionale dell'Ingegnere Fisico e per la comprensione degli insegnamenti di Fisica ed Ingegneria avanzata presenti in tutte le Lauree Magistrali alle quali il laureato in Ingegneria fisica può accedere senza debiti formativi. Le abilità raggiunte riguardano la progettazione e l'applicazione di dispositivi optoelettronici e fotonici, nonché di elementi di processi tecnologici avanzati per le micro e nanotecnologie.

Al termine dell’insegnamento si chiederà allo studente di: - conoscere alcuni modelli di descrizione di interazione luce materia a complessità crescente: dal singolo elettrone ai materiali nanostrutturati - conoscere i dispositivi optoelettronici e fotonici (foto rivelatori e laser) per applicazioni alle ICT ed alla scienza dei materiali - conoscere i processi micro e nanotecnologici basati su litografia ottica avanzata e sulla tecnologia additiva - applicare le conoscenze acquisite alla progettazione e all'utilizzo di dispositivi integranti materiali funzionali per l’ottica e la fotonica - applicare le conoscenze acquisite allo sviluppo di processi di micro e nanostrutturazione avanzata di materiali metallici, semiconduttori e polimerici.

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, la Fisica dello stato solido ed i Dispositivi elettronici. 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, l'applicazione dei concetti generali della fisica dello stato solido.

Trattazione classica dell’interazione della radiazione elettromagnetica con la materia, introduzione ai plasmoni di superficie, cristalli fotonici, metasuperfici (2 CFU) Scattering della radiazione e.m. (effetto e spettroscopia Raman), dispositivi rivelatori di luce (fotomoltiplicatori, fotodiodi p-n/p-i-n e a valanga, CCD), emissione spontanea e stimolata, laser a gas/liquidi/stato solido/semiconduttore operanti in regime stazionario e impulsato (2 CFU) Litografia ottica avanzata (fotolitografia standard, stereofotolitografia e processi a 2 fotoni), Processi di additive manufacturing indotto dalla luce (polimerico) (2 CFU)

L'insegnamento consta di lezioni teoriche in aula, con la discussione di molteplici esempi applicativi e di esperienze di laboratorio. Nello specifico, l’insegnamento è strutturato in 3 moduli + 2 esperienze di laboratorio tematiche. Modulo 1 - Interazione luce-materia (20 ore di lezione in aula) Le lezioni sono mirate alla descrizione dell’interazione luce-materia a livelli crescenti di complessità, dal singolo elettrone ai materiali nanostrutturati. Verrà affrontata la trattazione classica dell’interazione tra cariche isolate e campi elettromagnetici, si riprenderà la propagazione di onde in materiali dielettrici (cristallini ed amorfi), per poi passare all’interazione tra onde e materiali strutturati. In quest’ultimo contesto, si affronteranno i casi di dielettrici a diverse dimensionalità (inclusi i reticoli di diffrazione) ed alcuni materiali metallici che supportano plasmoni di superficie. Infine, si introdurrà brevemente il concetto di metasuperficie metallo-dielettrica con alcuni esempi illustrativi di applicazione. Modulo 2 - Fotonica (20 ore di lezione in aula) Le lezioni sono mirate allo sviluppo di conoscenze relative alla spettroscopia e alla fotonica. Si affronteranno temi relativi allo scattering della radiazione elettromagnetica (spettroscopia Raman in complessi molecolari, semiconduttori cristallini e amorfi), alla fisica e all’applicazione di dispositivi rivelatori di luce e di laser operanti in regime stazionario e impulsato. Modulo 3 - Tecnologie Ottiche Avanzate (14 ore di lezione in aula) Le lezioni sono mirate allo sviluppo di conoscenze relative alle tecnologie ottiche avanzate. Nello specifico si partirà dalla litografia classica per arrivare a discutere delle relative tecniche avanzate, frontiera della tecnologia attuale. Verranno anche discusse tecniche di stampa additiva foto indotte, dalla macro alla nanoscala. Laboratorio (6 ore) Il 1° laboratorio (durata 3h) consisterà nella dimostrazione di esempi pratici di effetti ottici discussi a lazione (es. fenomeno di interferenza, laser impulsato, microscopia in fluorescenza ed interferometria). Sarà svolto presso le infrastrutture consorziate Politecnico Torino/INRIM (Strada della Cacce, TO). Il 2° laboratorio (durata 3h) consisterà nella dimostrazione di esempi pratici di tecnologia che trova applicazione nel campo della sensoristica avanzata (es. stampa additiva foto indotta). Sarà svolto presso i locali del Centro Interdipartimentale Biomed Lab, presso il Politecnico di Torino.

Selezione di capitoli dai seguenti testi: - “Origine Classica della Fisica Moderna”, S. Costa, E. Predazzi, ed. Levrotto e Bella - “Classical Electrodynamics”, J. D. Jackson, ed. Wiley - “Solid State Physics”, N. W. Ashcroft, N. D. Mermin - “Surface Plasmons on Smooth and Rough Surfaces and on Gratings”, H. Raether, ed. Springer - “Introduction to Fourier Optics”, J.W. Goodman - “Fundamentals of photonics”, B.E.A. Saleh and M. C. Teich, Ed. Wiley Materiale ed appunti messi a disposizione dai docenti dell'insegnamento

Slides; Dispense; Video lezioni tratte da anni precedenti; Materiale multimediale ;

E' possibile sostenere l’esame in anticipo rispetto all’acquisizione della frequenza

Modalità di esame: Prova scritta (in aula); Prova orale facoltativa;

Exam: Written test; Optional oral exam;

... L'esame finale consiste in una prova scritta composta da 6 domande a risposta aperta su tutto il programma svolto a lezione, della durata massima di 2 ore. Non è consentito alcun materiale di supporto (testi, appunti, dispense). L'esame scritto è superato con una votazione complessiva di almeno 18/30, data dalla media tra la valutazione delle 6 domande. Gli studenti che superano lo scritto possono sostenere un orale, facoltativo. L'esame orale facoltativo avrà durata di circa 20 minuti, durante i quali i docenti faranno domande su tutto il programma dell'insegnamento. Sostendendo l'orale facoltativo, la valutazione finale verrà calcolata come la media tra il voto conseguito allo scritto e quello conseguito all'orale.

Gli studenti e le studentesse con disabilità o con Disturbi Specifici di Apprendimento (DSA), oltre alla segnalazione tramite procedura informatizzata, sono invitati a comunicare anche direttamente al/la docente titolare dell'insegnamento, con un preavviso non inferiore ad una settimana dall'avvio della sessione d'esame, gli strumenti compensativi concordati con l'Unità Special Needs, al fine di permettere al/la docente la declinazione più idonea in riferimento alla specifica tipologia di esame.