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Anno Accademico 2012/13
01NTPOD
Fisica dello stato solido con laboratorio
Corso di Laurea in Ingegneria Fisica - Torino
Docente Qualifica Settore Lez Es Lab Tut Anni incarico
Tagliaferro Alberto ORARIO RICEVIMENTO AC FIS/03 80 0 20 0 5
SSD CFU Attivita' formative Ambiti disciplinari
FIS/03
FIS/03
2
8
F - Altre attività (art. 10)
A - Di base
Altre conoscenze utili per l'inserimento nel mondo del lavoro
Fisica e chimica
Presentazione
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 applicazioni nel settore delle tecnologie dell'informazione e della comunicazione (ICT).
Il ruolo dell'insegnamento è centrale nello sviluppo della figura professionale dell'ingegnere fisico e dell'esperto in nanotecnologie, in quanto in esso vengono applicate diffusamente tutte le competenze acquisite nel corso di Meccanica quantistica e Fisica dei sistemi complessi, situato al secondo semestre del II anno, e vengono fornite le basi per la comprensione dei successivi insegnamenti del III anno e delle Lauree Magistrali alle quali il laureato in Ingegneria fisica può accedere senza debiti formativi.
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 parte 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. Nella terza parte, viene fornita allo studente la capacità di effettuare misurazioni accurate di grandezze fisiche tipiche di materiali di interesse applicativo, utilizzando apparati sperimentali e sistemi di rilevazione tanto di base quanto avanzati.
Risultati di apprendimento attesi
- Conoscenza del comportamento fisico di atomi a più elettroni e di molecole semplici.
- Conoscenza della teoria quantistica delle perturbazioni.
- Capacità di applicare la teoria delle perturbazioni a sistemi quantistici complessi.
- Conoscenza dei fenomeni connessi con l'interazione fra campo elettromagnetico radiante e materia.
- Capacità di applicare le statistiche quantistiche a sistemi a molti corpi.
- Conoscenza delle tecniche sperimentali e teoriche per studiare la struttura e le simmetrie dei solidi cristallini.
- Conoscenza degli effetti delle simmetrie dei cristalli sulle proprietà termiche, elettriche, ottiche di solidi cristallini.
- Conoscenza approfondita, su rigorosa base quantistica, delle proprietà conduttive di metalli, semiconduttori ed isolanti.
- Capacità di applicare le conoscenze acquisite per realizzare esperienze di laboratorio, sia semplici sia di natura più complessa, su particolari tematiche di fisica dello stato solido.
Prerequisiti / Conoscenze pregresse
- Fisica di base (meccanica, termodinamica, elettromagnetismo, ottica ondulatoria, elementi di struttura della materia)
- Meccanica quantistica ondulatoria e formalismo di Dirac.
- Elementi di meccanica statistica e statistiche quantistiche per fermioni e bosoni.
- Fisica statistica e degli stati di non equilibrio di sistemi complessi
Programma
Atomi a molti elettroni, interazione elettrone-elettrone; molecole semplici e interazione di scambio;
gas di Fermi e screening (1,5 cr)
Reticolo diretto e reciproco, cristalli e diffrazione di raggi X. Energia di coesione (1 cr)
Simmetrie di traslazione e stati elettronici dinamici. Teorema di Bloch (1 cr)
Trasporto elettrico e fenomeni termoelettrici in metalli ed isolanti. Proprietà elettriche dei semiconduttori (1,5 cr)
Fononi e proprietà termiche della materia (1 cr)
Interazione radiazione-materia e definizione delle proprietà ottiche della materia (1 cr)
Interazione elettrone-fonone, introduzione alla superconduttività e alle proprietà dei materiali superconduttori (2 cr)
Strumentazione e suo utilizzo (princìpi fisici ed attività di laboratorio) (1 cr)
Organizzazione dell'insegnamento
Le esercitazioni in aula riguardano la risoluzione di semplici problemi, con applicazioni di quanto trattato nelle lezioni immediatamente precedenti. Può essere richiesto in taluni casi l'uso di calcolatrici scientifiche (personali, di ciascuno studente).

Le esercitazioni sperimentali di laboratorio costituiscono una parte integrante dell'insegnamento e comprendono le seguenti attività:

- Misura di proprietà di trasporto di metalli e semiconduttori (omostrutture, eterostrutture, giunzioni Schottky)
- Misura proprietà ottiche di semiconduttori
- Tecniche di microscopia elettronica a scansione ed analisi sperimentale della morfologia di superfici.

Tutte le esperienze vengono effettuate in laboratorio dagli studenti, a piccoli gruppi e sotto la supervisione di personale esperto, sempre utilizzando strumentazione non virtuale. Gli studenti devono redigere a gruppi una relazione dettagliata su ciascuna delle esperienze cui hanno preso parte.
Testi richiesti o raccomandati: letture, dispense, altro materiale didattico
H. Ibach ' H. Luth: Solid-State Physics: An Introduction to Theory and Experiment (Springer)
N. W. Ashcroft ' N. D. Mermin, Solid state physics (Brooks Cole)

I testi, scelti tra quelli elencati, saranno comunicati a lezione dal docente titolare dell'insegnamento
Criteri, regole e procedure per l'esame
L'esame finale comprende uno scritto e un orale. Lo scritto comprende a) semplici problemi simbolici o numerici relativi agli argomenti principali della fisica dello stato solido (proprietà elettroniche, termiche, ottiche dei solidi), e ogni problema è articolato su 2-3 punti; b) quesiti a risposta multipla sui medesimi argomenti di fisica dello stato solido. Il voto massimo conseguibile nella parte di problemi è di 20 trentesimi, quello conseguibile nella parte di quesiti è di 10 trentesimi. Il tempo complessivamente assegnato per la prova è di 2 ore, e per superare lo scritto occorre ottenere un punteggio complessivo pari a 15 trentesimi. L'orale ha una durata di 15'-20', e riguarda tutti gli argomenti trattati nelle lezioni e nei laboratori.
Il voto finale è una media pesata della valutazione di scritto e orale (peso 0,8) e delle relazioni di laboratorio (peso 0,2). E' possibile acquisire punti aggiuntivi con relazioni di approfondimento su argomenti specifici, o preparando appunti delle lezioni riutilizzabili negli anni successivi.
Altre informazioni

Il corso viene tenuto da due docenti responsabili rispettivamente della parte teorica (8 crediti) e del laboratorio (2 crediti). I due docenti curano congiuntamente la tempistica e gli argomenti delle attività di laboratorio allo scopo di fornire agli studenti un percorso formativo coerente.
Orario delle lezioni
Statistiche superamento esami

Programma definitivo per l'A.A.2012/13
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