84539 - MAGNETISM AND SUPERCONDUCTIVITY

Conoscenze e abilità da conseguire

At the end of the course the student will learn the basic quantum phenomena occurring in magnetic and superconducting materials and several experimental techniques employed to study these properties at both macroscopic and microscopic scale. The student will become familiar with several magnetic and superconducting materials and with their importance for current research and technological applications.

Contenuti

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Il progresso scientifico e tecnologico si basa sulla capacità di analizzare e manipolare i sistemi fisici a livello quantistico. Nuove tecnologie quantistiche, basate sui principi quantistici di sovrapposizione ed entanglement, stanno emergendo in numerosi settori, in particolare comunicazione, informatica, rilevamento e misurazione. La maggior parte di essi si basa sull’uso di materiali quantistici, cioè materiali che mostrano fenomeni quantistici collettivi, chiamati anche fenomeni emergenti, che emergono dall’interazione a molti corpi di diverse entità fisiche come spin, carica, fonone, orbitale…

I materiali magnetici e superconduttori sono tra i prototipi di materiali quantistici per le tecnologie quantistiche più importanti, come l’informatica e il rilevamento quantistici. Queste tecnologie spesso fanno uso di tecniche di risonanza magnetica per la manipolazione degli stati quantistici.

In questo corso viene fornita un'introduzione di base al magnetismo e alla superconduttività e alle tecniche di risonanza magnetica combinando approccio teorico e sperimentale/fenomenologico.

 

MAGNETISMO

• Introduzione: momenti magnetici e meccanica quantistica; l'accoppiamento di due spin.
• Momenti magnetici isolati: Hamiltoniana di un atomo isolato in un campo magnetico; Diamagnetismo di Larmor; paramagnetismo e teoria di Brillouin; la legge di Curie rispetto allo stato fondamentale degli ioni e la loro struttura fine; confronto con esperimenti e contributo del campo cristallino; Paramagnetismo di Van Vleck. Applicazioni di materiali diamagnetici e paramagnetici: come raggiungere temperature molto basse utilizzando la smagnetizzazione adiabatica. Spin nucleari e struttura iperfine.
• Strutture ordinate e magnetiche: Riepilogo delle interazioni (dipolare, scambio); Ferromagnetismo, Antiferromagnetismo e Ferrimagnetismo: Il modello di Weiss e l'origine quantistica del campo molecolare. Applicazioni dei materiali ferromagnetici.
• Magnetismo nei metalli: Paramagnetismo di Pauli; Livelli di Landau e diamagnetismo di Landau.
• Inoltre, breve introduzione anche ai concetti di: rottura dell'ordine di simmetria e transizioni di fase (teoria di Landau); eccitazioni e magnoni; pareti di dominio e anisotropia magnetocristallina.
• Metodi sperimentali per la misura del momento magnetico e della suscettibilità dei materiali.
• Principio e applicazioni delle tecniche di risonanza magnetica: Risonanza magnetica nucleare e risonanza magnetica (approccio classico e quantistico); Risonanza di spin elettronico; Spettroscopia di Mossbauer; Spettroscopia di spin dei muoni.
• uso delle risonanze magnetiche per l'informatica e il rilevamento quantistico creazione di qubit, entanglement quantistico e porte quantistiche un prototipo di sensore quantistico: centri di azoto vacanti nel diamante

 

SUPERCONDUTTIVITÀ

• Introduzione alla superconduttività: principali proprietà, materiali e loro parametri caratteristici e applicazione.
• Proprietà termodinamiche dei superconduttori:
  Energia libera e campo termodinamico; Entropia e calore specifico.
• Diamagnetismo perfetto: L'effetto Meissner e la levitazione magnetica; Il modello di London.
• Superconduttori di tipo I e di tipo II: campi magnetici critici vs parametri caratteristici.
• Descrizione microscopica del condensato superconduttore: coppie di Cooper; introduzione al modello BCS; il gap superconduttore; confronto con esperimenti: effetto massa isotopica e diverse conferme della formazione delle coppie di Cooper.
• Quantizzazione del flusso magnetico in un anello superconduttore.
• Effetti Josephson e dispositivo superconduttore di interferenza quantistica. Applicazione dei dispositivi Josephson.
• Teoria della superconduttività di Ginzburg-Landau.
• Cenni all'utilizzo di superconduttori per quantum computing and sensing

Testi/Bibliografia

[1] Steve Blundell, Magnetism in Condensed Matter (Oxford University Press).

[2] J. M. D. Coey, Magnetism and Magnetic Materials (Cambridge University Press).

[3] M. Cyrot and D. Pavuna, Introduction to Superconductivity and High-Tc Materials (World Scientific Publ. Co.).

[4] Lecture notes.

Metodi didattici

Lezioni frontali utilizzando la lavagna per le dimostrazioni e un proiettore per diapositive e rendering grafici.

Modalità di verifica e valutazione dell'apprendimento

Esame orale.

Tipicamente allo studente vengono poste tre domande principali selezionate dal docente:

1) uno sul magnetismo, tipicamente per sviluppare e ottenere una delle leggi fisiche (suscettibilità magnetica di qualche tipo di sistema o simile) e fare un confronto con il comportamento sperimentale.

2) uno sulla superconduttività, tipicamente per spiegare alcune proprietà fisiche del superconduttore e sviluppare alcune delle leggi fisiche correlate, e fare un confronto con il comportamento sperimentale.

3) uno relativo alle tecniche sperimentali considerate nel corso, tipicamente per spiegare come possiamo utilizzarne una per misurare alcuni comportamenti fisici tipici di materiali magnetici o superconduttori.

Per ciascun argomento verrà chiesto allo studente di elaborare una teoria/calcoli per ottenere una legge fisica, illustrando i principali passaggi concettuali, comprese considerazioni e approssimazioni utilizzate, e di spiegarne il significato fisico e il suo utilizzo per studiare alcune proprietà fisiche di un ideale e/o sistema fisico reale, prestando attenzione all'ordine di grandezza delle grandezze fisiche in gioco.

La durata tipica dell'esame è di 45 minuti.

Scopo della prova orale è verificare le conoscenze dello studente e la sua capacità di applicarle e di effettuare i necessari collegamenti logico-deduttivi.

Graduazione del voto finale:

18-19: Preparazione su un numero molto limitato di argomenti trattati nel corso e capacità di analisi che emergono solo con l'aiuto del docente, espressione in linguaggio complessivamente corretto;

20-24: Preparazione su un numero limitato di argomenti trattati nel corso e capacità di analisi autonoma solo su questioni prettamente esecutive, espressione in linguaggio corretto;

25-29: Conoscenza di un ampio numero di argomenti affrontati nel corso, capacità di operare scelte autonome di analisi critica, uso corretto della terminologia specifica;

30-30L: Preparazione sostanzialmente esauriente sugli argomenti trattati nel corso, capacità di operare scelte autonome di analisi critica e di collegamenti, piena padronanza della terminologia specifica e capacità di argomentazione e pensiero critico

Strumenti a supporto della didattica

Lavagna, proiettore.

Link ad altre eventuali informazioni

https://www.unibo.it/sitoweb/s.sanna/contenuti-utili/6575e556

Orario di ricevimento

Consulta il sito web di Samuele Sanna

Consulta il sito web di Ilaria Bergenti