a.a. 2017-18 - 1 semestre

Docenti del corso: Dr. Procolo Lucignano - Dr. Giovanni Cantele





Ultima modifica (12 Dicembre, 2017): Programma e Materiale del Corso



AVVISO IMPORTANTE : si comunica che FINO AL 15 FEBBRAIO 2017 è possibile
compilare on line i questionari di valutazione didattica per i corsi del primo
semestre. Bisogna collegarsi a esol.unina.it, cliccare su sondaggi.unina.it ed
accedere con le proprie credenziali di posta elettronica "UNINA". Si invitano tutti
gli studenti alla compilazione dei questionari. Per dubbi o chiarimenti rivolgersi
alla segreteria didattica


News:

  • Il corso avrà inizio Giovedì 05.10.2017 in aula 0M04 - Dipartimento di Fisica alle ore 11:00
  • Il giorno 21.09.2016 i docenti del corso incontreranno gli studenti interessati nell'aula 0M04 del Dipartimento di Fisica






Tutti gli studenti interessati sono pregati di inviare un'e-mail ai seguenti indirizzi:

procolo.lucignano@spin.cnr.it e giovanni.cantele@spin.cnr.it



Il corso si propone lo studio di fenomeni avanzati (proprietà elettroniche, ottiche, magnetiche e di trasporto) nei materiali cristallini
e nanostrutturati. Lo studio di tali proprietà richiederà l’acquisizione di metodi avanzati nella fisica dello stato solido.


Schema del corso

Il confinamento quantistico e le nanostrutture:
- Principi del microscopio a scansione tunnel (STM)
- Catene atomiche unidimensionali finite: teoria ed esperimenti
- Nanostrutture basate sul carbonio: grafene e nanotubi di carbonio
- Proprieta' ottiche delle nanostrutture

Effetti magnetici in metalli ed isolanti:
- Gas di elettroni bidimensionale e tridimensionale in campo magnetico
- Richiami di effetto Hall Classico e cenni di effetto Hall quantistico
- Magnetismo nei solidi cristallini
- Ferromagnetismo di banda
- Modello di campo medio per ferromagnetismo ed antiferromagnetismo
- Eccitazione magnetiche
- Momenti magnetici localizzati nei metalli: modello di Anderson e di Kondo
- Modello di Hubbard

Oltre l’approssimazione di particella singola:
- La densità come variabile: richiami del modello di Thomas-Fermi
- La teoria del funzionale densita'

Fenomeni di trasporto
- Richiami dell’equazione di Boltzmann
- Cenni di superconduttività e teoria BCS
- Trasporto balistico e quantizzazione della conduttanza
- Trasporto diffusivo, ruolo del disordine
- Applicazioni ai dispositivi quantistici
- Semplice modello di un isolante topologico.

Orario del corso

da: Giovedì 05 Ottobre, 2017 a: Venerdì 19 Gennaio, 2018

Lunedì : 11:00 - 13:00 - Aula 0M04
Martedì : 11:00 - 13:00 - Aula 0M03
Giovedì : 11:00 - 13:00 - Aula 0M04





Programma

  • Lezione 1
    Introduzione al corso. Motivazione del corso. Ruolo delle interazioni, del disordine e della dimensionalità in fisica dello stato solido. Fenomenologia.
  • Lezione 2
    Richiami di seconda quantizzazione. Campi bosonici e fermionici. Operatori a un corpo e due corpi.
  • Lezione 3
    Eccitazioni del gas di Fermi e liquido di Fermi. Eccitazioni di particella singola e particella-buca del gas di Fermi. Teoria fenomenologica dei liquidi di Fermi di Landau. Funzionale di Landau, tempo di vita media, massa efficace. Cenni su calore specifico, suscettività di spin, etc.
  • Lezione 4
    Il confinamento quantistico e le nanostrutture. Modello tight binding della catena atomica unidimensionale in seconda quantizzazione. Catene atomiche unidimensionali: stati elettronici, funzioni d'onda, confinamento quantistico.
  • Lezione 5
    Il confinamento quantistico e le nanostrutture. Catene atomiche unidimensionali: massa efficace. Il microscopio ad effetto tunnel (STM): descrizione, concetto di tunneling, principio di funzionamento, sensibilita'.
  • Lezione 6
    Il confinamento quantistico e le nanostrutture. Il microscopio ad effetto tunnel (STM): il modello di Bardeen per il calcolo della corrente di tunneling.
  • Lezione 7
    Il confinamento quantistico e le nanostrutture. Il microscopio ad effetto tunnel (STM): spettroscopia e densità locale degli stati. Catene atomiche unidimensionali: esperimenti con l'STM.
    Teorema della massa efficace: la funzione inviluppo, validità e limiti dell'approssimazione a massa efficace.
  • Lezione 8
    Il confinamento quantistico e le nanostrutture. Catene atomiche unidimensionali: densità degli stati e limite della cena infinita. Teorema della massa efficace: normalizzazione della funzione inviluppo. L'approssimazione a massa efficace nello studio delle eterostrutture: limiti e validità, condizioni al contorno. Quantum wells (buche quantiche): cenni sulla fabbricazione, livelli elettronici e minibande in presenza di barriera di potenziale infinita e implicazioni sulle proprietà ottiche. Potenziale di confinamento e diagramma dei livelli di energia nella giunzione AlGaAs-GaAs-AlGas.
  • Lezione 9
    Il confinamento quantistico e le nanostrutture. Quantum wells (buche quantiche): , livelli elettronici e risoluzione del problema agli autovalori in presenza di barriera finita, energia di legame. Accoppiamento di buche quantiche: doppia buca quantica e superreticoli.
  • Lezione 10
    Il confinamento quantistico e le nanostrutture. Quantum wells (buche quantiche): densità degli stati, occupazione delle sottobande, gas di elettroni bidimensionale. Quantum wires (fili quantici): proprietà elettroniche e densità degli stati (fili a sezione rettangolare e a sezione circolare). Quantum dots: confinamento in una buca di potenziale tridimensionale cubica e sferica, atomi artificiali, densità degli stati.
  • Lezione 11
    Richiami del concetto di eccitone nei cristalli: Hamiltoniana idrogenoide, energia di legame, raggio di Bohr dell'eccitone. Richiami sul concetto di lacuna nei cristalli. Il confinamento quantistico e le nanostrutture. Quantum wells (buche quantiche): eccitoni nelle buche quantiche di tipo I e di tipo II, approccio variazionale al calcolo dell'energia di legame dell'eccitone, regime di confinamento forte.
  • Lezione 12
    Il confinamento quantistico e le nanostrutture. Proprietà ottiche: richiami sull'assorbimento ottico nei materiali cristallini, transizioni interbanda ed inter-sottobanda in una quantum well, elementi di matrice per le transizioni ottiche in un sistema confinato, regole di selezione, forze dell'oscillatore, coefficiente di assorbimento.
  • Lezione 13
    Effetti magnetici in metalli e isolanti. Definizione di magnetizzazione e suscettività magnetica. Teorema di Born-van Leeuwen. Livelli di Landau e densità degli stati in 2D in presenza di campo magnetico. Tensore di magnetoresistività a magnetoconducibilità.
  • Lezione 14
    Effetti magnetici in metalli e isolanti. Cenni di effetto Hall classico e quantistico (intero). Diamagnetismo di Landau.
  • Lezione 15
    Effetti magnetici in metalli e isolanti. Paramagnetismo di Pauli. Proprietà magnetiche di atomi o ioni non interagenti. Diamagnetismo di Larmor e paramagnetismo di Van Vleck.
  • Lezione 16
    Proprietà magnetiche di sistemi interagenti. Ferromagnetismo e antiferromagnetismo: descrizione campo medio (Weiss).
  • Lezione 17
    Proprietà magnetiche di sistemi interagenti. Integrali di scambio e Hamiltoniane di spin. Modello di Heisenberg, teoria di campo medio.
  • Lezione 19
    Proprietà magnetiche di sistemi interagenti. Onde di spin. Trasformazione di Holstein Primakoff e Magnoni. Introduzione alla fisica dei momenti magnetici localizzati in interazione con elettroni di banda: il Modello di Anderson.
  • Lezione 20
    Proprietà magnetiche e di trasporto di impurezze magnetiche. Il Modello di Anderson: teoria di campo medio.
  • Lezione 21
    Proprietà magnetiche e di trasporto di impurezze magnetiche. Effetto Kondo: calcolo della resistenza in teoria delle perturbazioni.
  • Lezione 22
    Proprietà magnetiche e di trasporto di sistemi fortemente correlati. Il modello di Hubbard: Criterio di Stoner. Cenni descrittivi della transizione metallo isolante.
  • Lezione 23
    Il confinamento quantistico e le nanostrutture. Grafene: reticolo cristallino, proprietà elettroniche, modello tight-binding a primi e secondi vicini, simmetria buca-elettrone, relazione di dispersione.
  • Lezione 24
    Il confinamento quantistico e le nanostrutture. Grafene: approssimazione della relazione di dispersione attorno ai punti di Dirac, eccitazioni di bassa energia e fermioni di Dirac, isospin di valle e isospin di sottoreticolo, densità degli stati.
  • Lezioni 25-26
    Il confinamento quantistico e le nanostrutture. Grafene: elicità/chiralità, paradosso di Klein e conservazione dell'isospin, definizione della massa efficace. Fermioni di Dirac in un campo magnetico: livelli di Landau nel grafene.
  • Lezione 26
    La teoria del funzionale densità. Buca di correlazione e scambio nel problema di elettroni interagenti. Il teorema di Hohenberg-Kohn. Formulazione variazione della teoria del funzionale densità.
  • Lezione 27
    La teoria del funzionale densità. Definizione del funzionale densità in termini del metodo della ricerca vincolata del minimo (metodo di Levy). Equazioni, autovalori ed autostati di Kohn e Sham. Calcolo dell'energia totale. Approssimazioni del funzionale di correlazione e scambio. Buca di correlazione e di scambio.
  • Lezione 28
    Fenomeni di Trasporto: cenni di Superconduttività. Fenomenologia: conducibilità perfetta, diamagnetismo perfetto, effetto isotopico, quantizzazione del flusso ed effetto Josephson.
  • Lezione 29
    Fenomeni di Trasporto: cenni di Superconduttività. Ipotesi di pairing e coppie di Cooper. Interazione elettrone-fonone e hamiltoniana di campo medio BCS. Trasformazioni di Bogolyubov-Valatin e spettro di eccitazione
  • Lezione 30
    Fenomeni di Trasporto: cenni di Superconduttività. Trasformazioni di Bogolyubov-Valatin e spettro di eccitazione
  • Lezione 31
    Fenomeni di Trasporto: cenni di trasporto quantistico. Scale di lunghezza: trasporto mesoscopico, balistico e diffusivo. Fenomeni di interferenza: effetto Ahronov-Bohm e Aronov-Altshuler-Spivak. Weak Localization.
  • Lezione 32
    Fenomeni di Trasporto: alcuni esperimenti importanti. Quantum dots e Coulomb blockade, wires, nanocontatti atomici, quantum rings, gas di elettroni disordinati.

Regime di confinamento forte. Eccitoni nelle nanostrutture: effetti di correlazione elettrone-buca nei sistemi a bassa dimensionalità, eccitoni nei quantum dots. La teoria del funzionale densità. Teorema di Hellman-Feynman. Interpretazione fisica del funzionale di correlazione di scambio in termini della buca di correlazione e scambio. La teoria di Thomas-Fermi e la relazione fra densità e potenziale, funzionale energia cinetica e approssimazioni ad esso connesse.

  • Lezione 29
    * Lezione 30
    Fenomeni di Trasporto: cenni di Superconduttività. Fenomenologia: conducibilità perfetta, diamagnetismo perfetto, effetto isotopico, quantizzazione del flusso ed effetto Josephson.
  • Lezione 31
    Fenomeni di Trasporto: cenni di Superconduttività. Ipotesi di pairing e coppie di Cooper. Interazione elettrone-fonone e hamiltoniana di campo medio BCS. Trasformazioni di Bogolyubov-Valatin e spettro di eccitazione
  • Lezione 32
    Fenomeni di Trasporto: cenni di trasporto quantistico. Scale di lunghezza: trasporto mesoscopico, balistico e diffusivo. Fenomeni di interferenza: effetto Ahronov-Bohm e Aronov-Altshuler-Spivak. Weak Localization.
  • Lezione 33
    Fenomeni di Trasporto: alcuni esperimenti importanti. Quantum dots e Coulomb blockade, wires, nanocontatti atomici, quantum rings, gas di elettroni disordinati.

Cenni sul concetto di funzionale e derivata funzionale. Formulazione variazione della teoria di Thomas-Fermi. Proprietà di atomi nel modello di Thomas-Fermi. Effetti magnetici in metalli e isolanti. Definizione di magnetizzazione e suscettività magnetica. Teorema di Born-van Leeuwen. Livelli di Landau e densità degli stati in 2D in presenza di campo magnetico. Tensore di magnetoresistività a magnetoconducibilità.

  • Lezione 15
    Effetti magnetici in metalli e isolanti. Cenni di effetto Hall quantistico. Diamagnetismo di Landau e Paramagnetismo di Pauli.
  • Lezione 16
    Effetti magnetici in metalli e isolanti. Paramagnetismo di Pauli Proprietà magnetiche di atomi o ioni non interagenti. Diamagnetismo di Larmor e paramagnetismo di Van Vleck.
  • Lezione 17
    Proprietà magnetiche di sistemi interagenti. Ferromagnetismo: campo medio (Weiss). Integrali di scambio e hamiltoniana di spin.
  • Lezione 18
    Proprietà magnetiche di sistemi interagenti. Antiferromagnetismo e antiferrimagnetismo: teoria di Weiss. Modello di Heisenberg, campo medio e ruolo delle fluttuazioni.
  • Lezione 19
    Proprietà magnetiche di sistemi interagenti. Trasformazione di Holstein Primakoff e Magnoni. Momenti magnetici localizzati in interazione con elettroni di banda. Modello di Anderson: teoria di campo medio.
  • Lezione 20
    Proprietà magnetiche e di trasporto di sistemi interagenti. Effetto Kondo. Modello di Anderson e di Kondo. Calcolo della resistività in teoria delle perturbazioni.
  • Lezione 21
    Proprietà magnetiche e di trasporto di sistemi interagenti. Teoria del "poor man scaling" di Anderson.
  • Lezione 22
    Proprietà magnetiche e di trasporto di sistemi interagenti. Modello di Hubbard. Transizione metallo-isolante (Mott). Teoria di campo medio e Criterio di Stoner.
  • Lezione 27
    Fenomeni di Trasporto: Cenni di Superconduttività. Fenomenologia: conducibilità perfetta, diamagnetismo perfetto, effetto isotopico, quantizzazione del flusso ed effetto Josephson.
  • Lezione 28
    Fenomeni di Trasporto: Cenni di Superconduttività. Ipotesi di pairing e coppie di Cooper. Interazione elettrone-fonone e hamiltoniana di campo medio BCS. Trasformazioni di Bogolyubov-Valatin e spettro di eccitazione
  • Lezione 29
    Fenomeni di Trasporto: Cenni di Superconduttività. Funzione d'onda BCS. Proprietà di stato fondamentale. Coerenza superconduttiva. Il numero e la fase come variabili coniugate. Dalla funzione di coppie allo stato a resistenza nulla.

Il Programma completo del corso e' disponibile sul sito web docenti





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Calendario accademico: A.A. 2017-18

Calendario delle attivita' didattiche: A.A. 2017-18







Programma e Lezioni dei corsi precedenti

News & highlights

2017-12-12: Publication and Curriculum Vitae pages updated

December, 2017: National scientific qualification for academic Associate and Full professor positions in Theoretical Condensed Matter Physics earned

Size-dependent structural and electronic properties of Bi(111) ultrathin nanofilms from first principles
G. Cantele and D. Ninno, Phys. Rev. Materials 1, 014002 (2017)

Laurea specialistica in Fisica
Corso di "Fisica dello Stato Solido II"
a.a. 2017-18

Informazioni >>>>

Introduction to Solid State Physics and Crystalline Nanostructures
Giuseppe. Iadonisi, Giovanni Cantele, Maria Luisa Chiofalo
Springer (2014), UNITEXT for Physics series

PhD course "An introduction to the physics of nanostructures" - 2014

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Electronic properties and Schottky barriers at ZnO–metal interfaces from first principles
N.R. D'Amico et al, J. Phys.: Condens. Matt. 27, 015006 (2015)

First principles calculations of the band offset at SrTiO3−TiO2 interfaces
N.R. D'Amico et al, Appl. Phys. Lett. 101, 141606 (2012)

First-Principles Calculations of Clean and Defected ZnO Surfaces
N.R. D'Amico et al, J. Phys. Chem. C 116, 21391 (2012)

Graphene nanoribbon electrical decoupling from metallic substrates
I. Borriello et al, Nanoscale 5, 291 (2013)

Corso di Fisica dei Materiali
A.A. 2010-2011

Prossima data di esame: martedì 03.04.2012
ore 10:30

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Corso di Fisica dei Materiali
A.A. 2009-2010

Prossima data di esame: mercoledì 26.10.2011
ore 14:30

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