ID:
500630
Durata (ore):
48
CFU:
6
SSD:
FISICA DELLA MATERIA
Anno:
2024
Dati Generali
Periodo di attività
Secondo Semestre (03/03/2025 - 06/06/2025)
Syllabus
Obiettivi Formativi
a) Conoscenza e comprensione – Il corso porterà lo studente ad apprendere i concetti e fenomeni di base relativi alla fisica dello stato
solido avanzato, comprendente gli effetti di correlazione che vanno oltre l’approssimazione a singola particella/campo medio e di singolo
determinante di Slater per sistemi a molti elettroni. Lo studente acquisterà familiarità con i concetti di screening e di eccitazioni
elementari nei solidi (plasmoni, fononi, eccitoni, polaritoni.), con le loro manifestazioni fenomenologiche. Sarà inoltre esposto a campi di ricerca e
alle relative tecniche investigative molto attuali (fisica computazionale dei solidi basata sulla density-functional theory, plasmoni di superficie,
materiali topologici, sistemi correlati descritti dal modello di Hubbard, ecc) anche al fine di individuare
quelli a lui più congeniali per la ricerca e per l’argomento di tesi. Alcuni fra questi argomenti, con particolare riferimento ai sistemi fortemente
correlati e topologici, sono di interesse anche per la fisica teorica.
b) Conoscenza e capacità di comprensione applicate – Lo studente sarà in grado di valutare l’importanza degli effetti di correlazione e di decidere
quali approcci sono adatti per una descrizione avanzata della struttura elettronica, delle proprietà ottiche e di trasporto dei solidi. Sarà in grado
di utilizzare modelli semplici ove possibile (ad esempio il modello di Thomas-Fermi per lo screening, il modello di Drude per l’elettrodinamica
dei metalli, la relaxation-time approximation per il trasporto), conoscendone le limitazioni. Saprà descrivere diversi tipi di eccitazioni
elementari, sia dal punto di vista della teoria che della fenomenologia. Saprà utilizzare il formalismo di seconda quantizzazione per gli operatori
fermionici. Saprà inoltre impostare semplici calcoli di struttura elettronica (basati sulla DFT) sulle principali famiglie di materiali (metalli,
semiconduttori, isolanti, ecc) e valutarne il risultato in base ad una buona conoscenza delle prerogative e dei limiti del metodo impiegato e delle
relative approssimazioni. Saprà utilizzare pacchetti software in ambiente Linux, anche basati su Python.
c) Autonomia di giudizio - Lo studente sarà in grado di orientarsi nel campo della fisica dello stato solido avanzata, valutando i fenomeni più
interessanti e gli approcci teorici più appropriati per descrivere le proprietà fisiche di vari tipi di solidi complessi. Sarà in grado di
inquadrare settori di ricerca molto diversi (fisica computazionale, plasmonica, trasporto, sistemi correlati, sistemi topologici) valutandone
l’interesse e l’importanza.
d) Abilità comunicative – Lo studente acquisirà il linguaggio della fisica dei solidi avanzata, con particolare riguardo alla terminologia dei sistemi
correlati (scambio, correlazione, screening statico e dinamico.). Sarà in grado di descrivere vari argomenti in un linguaggio fisico, prescindendo
dalle derivazioni matematiche o dagli approcci numerici che in questo campo sono spesso assai complessi.
e) Capacità di apprendere – Lo studente sarà introdotto ad alcuni libri di testo e review di ricerca recenti e sarà in grado di studiarli
autonomamente sulla base delle lezioni frontali tenute nel corso. Inoltre apprenderà a leggere e riassumere un articolo scientifico su un argomento di ricerca. Lo studente del corso sarà esposto a e saprà orientarsi tra temi di ricerca sia teorici/computazionali che sperimentali.
solido avanzato, comprendente gli effetti di correlazione che vanno oltre l’approssimazione a singola particella/campo medio e di singolo
determinante di Slater per sistemi a molti elettroni. Lo studente acquisterà familiarità con i concetti di screening e di eccitazioni
elementari nei solidi (plasmoni, fononi, eccitoni, polaritoni.), con le loro manifestazioni fenomenologiche. Sarà inoltre esposto a campi di ricerca e
alle relative tecniche investigative molto attuali (fisica computazionale dei solidi basata sulla density-functional theory, plasmoni di superficie,
materiali topologici, sistemi correlati descritti dal modello di Hubbard, ecc) anche al fine di individuare
quelli a lui più congeniali per la ricerca e per l’argomento di tesi. Alcuni fra questi argomenti, con particolare riferimento ai sistemi fortemente
correlati e topologici, sono di interesse anche per la fisica teorica.
b) Conoscenza e capacità di comprensione applicate – Lo studente sarà in grado di valutare l’importanza degli effetti di correlazione e di decidere
quali approcci sono adatti per una descrizione avanzata della struttura elettronica, delle proprietà ottiche e di trasporto dei solidi. Sarà in grado
di utilizzare modelli semplici ove possibile (ad esempio il modello di Thomas-Fermi per lo screening, il modello di Drude per l’elettrodinamica
dei metalli, la relaxation-time approximation per il trasporto), conoscendone le limitazioni. Saprà descrivere diversi tipi di eccitazioni
elementari, sia dal punto di vista della teoria che della fenomenologia. Saprà utilizzare il formalismo di seconda quantizzazione per gli operatori
fermionici. Saprà inoltre impostare semplici calcoli di struttura elettronica (basati sulla DFT) sulle principali famiglie di materiali (metalli,
semiconduttori, isolanti, ecc) e valutarne il risultato in base ad una buona conoscenza delle prerogative e dei limiti del metodo impiegato e delle
relative approssimazioni. Saprà utilizzare pacchetti software in ambiente Linux, anche basati su Python.
c) Autonomia di giudizio - Lo studente sarà in grado di orientarsi nel campo della fisica dello stato solido avanzata, valutando i fenomeni più
interessanti e gli approcci teorici più appropriati per descrivere le proprietà fisiche di vari tipi di solidi complessi. Sarà in grado di
inquadrare settori di ricerca molto diversi (fisica computazionale, plasmonica, trasporto, sistemi correlati, sistemi topologici) valutandone
l’interesse e l’importanza.
d) Abilità comunicative – Lo studente acquisirà il linguaggio della fisica dei solidi avanzata, con particolare riguardo alla terminologia dei sistemi
correlati (scambio, correlazione, screening statico e dinamico.). Sarà in grado di descrivere vari argomenti in un linguaggio fisico, prescindendo
dalle derivazioni matematiche o dagli approcci numerici che in questo campo sono spesso assai complessi.
e) Capacità di apprendere – Lo studente sarà introdotto ad alcuni libri di testo e review di ricerca recenti e sarà in grado di studiarli
autonomamente sulla base delle lezioni frontali tenute nel corso. Inoltre apprenderà a leggere e riassumere un articolo scientifico su un argomento di ricerca. Lo studente del corso sarà esposto a e saprà orientarsi tra temi di ricerca sia teorici/computazionali che sperimentali.
Prerequisiti
Il corso richiede conoscenze di base di meccanica quantistica, elettromagnetismo, ottica, struttura della materia, tipicamente apprese nel triennio di fisica. Sono utili conoscenze di base di fisica dei solidi, come fornite dal corso di Fisica dello Stato Solido I o equivalenti. Tuttavia,
gli studenti interessati di altre aree (ad esempio fisica teorica o fisica delle tecnologie quantistiche) possono seguire il corso II e recuperare solo
pochi argomenti necessari del corso I.
gli studenti interessati di altre aree (ad esempio fisica teorica o fisica delle tecnologie quantistiche) possono seguire il corso II e recuperare solo
pochi argomenti necessari del corso I.
Metodi didattici
Lezioni frontali, tenute alla lavagna e/o con slide a seconda degli argomenti. In caso di disponibilità di tempo, e in base alle richieste degli studenti, il corso può essere completato da un tutorial computazionale per l’introduzione ai calcoli di struttura elettronica basati sulla DFT o dall'approfondimento di alcuni temi tipicamente affrontati nell'ambito della fisica computazionale.
L’insegnamento è English-friendly:
1) Il materiale didattico è in inglese (libri di testo, dispense, slides);
2) L’esame può essere sostenuto in inglese, su richiesta dello studente;
3) Il docente è disponibile a tenere parte delle lezioni (o tutte) in inglese, previo accordo con gli studenti.
L’insegnamento è English-friendly:
1) Il materiale didattico è in inglese (libri di testo, dispense, slides);
2) L’esame può essere sostenuto in inglese, su richiesta dello studente;
3) Il docente è disponibile a tenere parte delle lezioni (o tutte) in inglese, previo accordo con gli studenti.
Verifica Apprendimento
La prova di esame consiste in un colloquio (eventualmente via Zoom o Skype se necessario). Lo studente deve preparare i tre argomenti di base
(1), (2), (4) e almeno tre argomenti scelti fra (3) e (5)-(9). L’esame inizia su un argomento scelto dallo studente, che deve essere bene inquadrato
e presentato in un certo dettaglio. Nella prova di esame non è richiesto di ripetere le derivazioni matematiche presentate nel corso, si richiede
invece una illustrazione fisica degli argomenti trattati, comprendente i principali concetti, andamenti, grafici, metodi di misura delle grandezze
fisiche, capacità di orientamento fra diversi capitoli.
The exam may be held in English, if so requested.
(1), (2), (4) e almeno tre argomenti scelti fra (3) e (5)-(9). L’esame inizia su un argomento scelto dallo studente, che deve essere bene inquadrato
e presentato in un certo dettaglio. Nella prova di esame non è richiesto di ripetere le derivazioni matematiche presentate nel corso, si richiede
invece una illustrazione fisica degli argomenti trattati, comprendente i principali concetti, andamenti, grafici, metodi di misura delle grandezze
fisiche, capacità di orientamento fra diversi capitoli.
The exam may be held in English, if so requested.
Testi
Riferimento:
E. Kaxiras and J. D. Joannopoulos, Quantum Theory of Materials, (Cambridge University Press 2019)
G. Grosso and G. Pastori Parravicini, Solid State Physics, 2nd edition (Academic Press, 2014).
N.W. Ashcroft, N.D. Mermin, Solid State Physics (Holt-Rinehart, 1976).
C. Kittel, Introduction to Solid State Physics, 8th edition (John Wiley & Sons, 2005).
Approfondimento:
P.Y. Yu, M. Cardona, Fundamentals of Semiconductors: Physics and Material Properties, 4rd edition (Springer, 2010)
S. M. Girvin and K. Yang, Modern Condensed Matter Physics (Cambridge University Press, 2019)
G. F. Giuliani and G. Vignale, Quantum Theory of the Electron Liquid, (Cambridge University Press, 2005).
F. Giustino, Materials Modelling using Density Functional Theory: Properties and Predictions, (Oxford University Press, 2014).
J. Kohanoff, Electronic Structure Calculations for Solids and Molecules – Theory and Computational Methods, (Cambridge University Press, 2006)
D. Vanderbilt, Berry Phases in Electronic Structure Theory: Electric Polarization, Orbital Magnetization and Topological Insulators (Cambridge
University Press, 2018).
Note e dispense.
E. Kaxiras and J. D. Joannopoulos, Quantum Theory of Materials, (Cambridge University Press 2019)
G. Grosso and G. Pastori Parravicini, Solid State Physics, 2nd edition (Academic Press, 2014).
N.W. Ashcroft, N.D. Mermin, Solid State Physics (Holt-Rinehart, 1976).
C. Kittel, Introduction to Solid State Physics, 8th edition (John Wiley & Sons, 2005).
Approfondimento:
P.Y. Yu, M. Cardona, Fundamentals of Semiconductors: Physics and Material Properties, 4rd edition (Springer, 2010)
S. M. Girvin and K. Yang, Modern Condensed Matter Physics (Cambridge University Press, 2019)
G. F. Giuliani and G. Vignale, Quantum Theory of the Electron Liquid, (Cambridge University Press, 2005).
F. Giustino, Materials Modelling using Density Functional Theory: Properties and Predictions, (Oxford University Press, 2014).
J. Kohanoff, Electronic Structure Calculations for Solids and Molecules – Theory and Computational Methods, (Cambridge University Press, 2006)
D. Vanderbilt, Berry Phases in Electronic Structure Theory: Electric Polarization, Orbital Magnetization and Topological Insulators (Cambridge
University Press, 2018).
Note e dispense.
Contenuti
Vengono trattati alcuni concetti avanzati di fisica dello stato solido, con particolare attenzione agli effetti di correlazione, alle eccitazioni
elementari nei solidi, alla trattazione quantistica dei sistemi correlati e topologici. Gli argomenti comprendono: (1) metodo Hartree-
Fock, effetti di scambio e correlazione, screening; (2) teoria del funzionale densità (DFT) – fondamenti teorici; (3) implementazione della
DFT, metodi moderni per il calcolo delle bande di energia, della struttura elettronica e di varie proprietà di interesse; (4) elettrodinamica nei
metalli, teoria della risposta lineare, funzione dielettrica di Lindhard, plasmoni di bulk e di superficie; (5) eccitoni e polaritoni; (6) teoria del trasporto, equazione di Boltzmann; (7) fase di Berry, teoria della polarizzazione, magnetizzazione orbitale, materiali topologici; (8) seconda quantizzazione, correlazioni nei solidi (cenni), modello di Hubbard, magnetismo itinerante (criterio di Stoner-Hubbard), scambio diretto ed indiretto tra spin localizzati; (9) argomenti avanzati (asseconda del tempo disponibile)
All or part of the lectures may be given in English, upon agreement with the students.
elementari nei solidi, alla trattazione quantistica dei sistemi correlati e topologici. Gli argomenti comprendono: (1) metodo Hartree-
Fock, effetti di scambio e correlazione, screening; (2) teoria del funzionale densità (DFT) – fondamenti teorici; (3) implementazione della
DFT, metodi moderni per il calcolo delle bande di energia, della struttura elettronica e di varie proprietà di interesse; (4) elettrodinamica nei
metalli, teoria della risposta lineare, funzione dielettrica di Lindhard, plasmoni di bulk e di superficie; (5) eccitoni e polaritoni; (6) teoria del trasporto, equazione di Boltzmann; (7) fase di Berry, teoria della polarizzazione, magnetizzazione orbitale, materiali topologici; (8) seconda quantizzazione, correlazioni nei solidi (cenni), modello di Hubbard, magnetismo itinerante (criterio di Stoner-Hubbard), scambio diretto ed indiretto tra spin localizzati; (9) argomenti avanzati (asseconda del tempo disponibile)
All or part of the lectures may be given in English, upon agreement with the students.
Lingua Insegnamento
ITALIANO
Altre informazioni
Il corso è svolto in maniera consistente con le modalità didattiche inclusive, come specificate sulla pagina https://portale.unipv.it/it/didattica/servizi-lo-studente/modalita-didattiche-inclusive
Corsi
Corsi
SCIENZE FISICHE
Laurea Magistrale
2 anni
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