81829 - INTRODUZIONE ALLA FISICA DEGLI STATI CONDENSATI

Conoscenze e abilità da conseguire

Al termine del corso, lo studente possiede conoscenze nel vasto campo della Fisica della Materia Condensata, alcuni concetti generali e metodi unificanti che consentono di descrivere le proprietà di diverse fasi termodinamicamente stabili della materia condensata. In particolare, lo studente conosce il concetto di simmetria che si fonda su differenti parametri d'ordine e come le proprietà macroscopiche di sistemi a molte particelle interagenti siano legate a leggi di conservazione e a simmetrie infrante. Apprende inoltre il concetto di lunghezza di scala e degli effetti di confinamento dimensionale su alcune proprietà fisiche della materia condensata.

Contenuti

Prerequisiti/Propedeuticità consigliate

Sono requisiti per una proficua frequenza del corso conoscenze di: meccanica e termodinamica classiche. Analisi matematica. Conoscenza almeno ad un livello introduttivo della teoria quantistica o la contemporanea frequenza di un corso di fisica quantistica.

Il corso è a carattere sperimentale e fenomenologico e si rivolge principalmente ma non esclusivamente a studenti di Scienza dei materiali, a studenti del corso di laurea in Fisica interessati al futuro conseguimento di una laurea magistrale in Materials Physics and Nanoscience ed a quelli interessati a Fisica del sistema Terra o Science of Climate. Durante le lezioni vengono mostrati video scientifici ed immagini riguardanti i fenomeni discussi. Scopo del corso è far conoscere allo studente fenomeni naturali ed effetti importanti riguardanti gli stati condensati della materia e alcuni fenomeni quantici che avvengono nella materia nello stato solido. Vengono messe in rilievo le applicazioni tecnologiche dei fenomeni considerati.

Scopo del corso è altresì far conoscere agli studenti alcuni tra gli ambiti di ricerca più attuali ed interessanti in Fisica degli stati condensati. Il corso è suddiviso in varie parti, fra loro connesse.

1 Insiemi di atomi e molecole.

• Si introduce il concetto di simmetria e di rottura di simmetria, con particolare rilievo alla rottura di simmetria che si verifica nel passaggio da uno stato condensato ad un altro. Si presentano i tipi di simmetrie rigide nel piano e nello spazio. 

• Si presentano quindi esempi di simmetrie in natura e loro rottura: gocce d'acqua che cadono in una pozza; cerchi nei campi di grano, il tronco di un albero, la deformazione di una lattina.

• Sistemi periodici

• Importantissimo caso di disposizione simmetrica è quello dei Cristalli. Verranno quindi illustrati i reticoli di Bravais e definito il Reticolo reciproco, con esempi di cristalli e solidi regolari, con particolare attenzione ai reticoli cubici.

• La classificazione dei cristalli ed in generale dei solidi richiede anche di analizzare il tipo di legame che si instaura tra gli atomi e/o molecole che compongono il solido. Si esporrà una classificazione dei solidi in base ai legami, fornendo le principali caratteristiche di ognuno.

• Un solido macroscopico è difficilmente un unico grande cristallo. Si introdurranno perciò i solidi policristallini ed i cristalli nanometrici, mostrando come le proprietà meccaniche, ottiche ed elettriche di un policristallo cambiano rispetto a quelle di un monocristallo. In particolare si discuteranno le proprietà di solidi costituiti da cristalli nanometrici. Per concludere si esamineranno il Carbonio e sue fasi: diamante, grafite, fullereni, nanotubi, grafene.

• Sistemi aperiodici e disordinati.

• Non tutti i solidi e certamente non i liquidi sono descrivibili come aggregati periodici. In certi casi il solido non è descrivibile come un reticolo di Bravais. Si presentano quindi i Quasi Cristalli e si discute il problema delle tassellature, presentando innanzitutto il problema della tassellatura aperiodica di Penrose del piano. Si discute successivamente la recente scoperta del tassello di Einstein (non Albert) che permette una ricopertura aperiodica del piano con un solo tipo di tassello.

• Si descrive quindi la struttura delle sostanze amorfe come il vetro e la si confronta con quella dei liquidi.

• Si presentano infine sistemi a più fasi. Come esempio si illustrerà il caso dell'aerogel, che è un materiale meno denso dell'aria e con proprietà di eccezionale isolamento termico, utilizzato sia in missioni NASA che nei cappotti degli edifici.

2 Energia/Tensione superficiale

• Nei liquidi la tensione superficiale è un fenomeno importante ed è cruciale in molti fenomeni. Si introduce questo concetto e quello ad esso associato di energia superficiale.
• Si mostrano le meraviglie delle bolle di sapone e si discutono le superfici superidrofobiche. Si mostrerà il comportamento di una goccia che cade in acqua ed il fenomeno delle lacrime del vino. Si scoprirà come ragni e gerridi camminano sull'acqua.
  

3 Teoria della nucleazione.

• Dopo aver descritto in precedenza i tipi di solidi, si discuterà a questo punto come questi si formano. Il processo con cui una nuova fase condensata si origina è più complesso di quanto non si immagini comunemente. Se il solido sarà un monocristallo, un policristallo o un amorfo dipende da una serie di fattori che verranno esaminati.
• Si illustrerà l'essenziale della teoria della Nucleazione, che può essere omogenea o, molto più comunemente, eterogenea. Questo è di particolare rilievo in fenomeni come la formazione delle nubi e le precipitazioni. 
• Come caso particolare verrà descritta la formazione dei fiocchi di neve, problema che ha affascinato grandi scienziati come Keplero, che per primo ha descritto scientificamente questo fenomeno, facendo anche una congettura sull'aggregazione regolare degli atomi nei solidi che solo da pochi anni è stata provata essere vera.

4 Diagrammi di fase binari 

• Nei corsi introduttivi di termodinamica sono introdotti i diagrammi di fase per le sostanze pure. Molte sostanze sono però costituite da 2 o più componenti. Esempi importanti sono le leghe metalliche e le rocce. Questo ci porta a considerare i diagrammi di fase binari. 
  
• In un diagramma di fase binario di solito si descrive il sistema in funzione di composizione e temperatura. Nel caso di solidi e liquidi la dipendenza dalla pressione non è particolarmente rilevante e comunque si tratta di sistemi che si trovano solitamente a pressione ambiente.
• Sono presentati i principali fenomeni che compaiono in un diagramma di fase binario: coesistenza di solido e liquido in un intervallo di temperature; presenza di eutettici; separazione di fase sia nella fase liquida che in quella solida. 
• Come casi esemplificativi nonché di particolare importanza vengono descritti il diagramma di fase di acqua e sale (Cloruro di Sodio) e quello dell'acciaio. Si comprenderà perché sono crollate le torri gemelle a New York e perché si formano i camini di ghiaccio (brinicles).
  
  

  5 Proprietà meccaniche dei solidi.

• Perché non sprofondiamo nel pavimento? Perché il vetro è (solitamente) fragile ed i metalli sono invece duttili? In questa parte del corso si indaga su quali fattori determinano la fragilità, la durezza e la duttilità dei solidi.

• Si comprenderà innanzitutto perché la costanti elastiche dei solidi non hanno molto a che fare con la resistenza di un materiale. Si definiranno il modulo elastico ed il carico di snervamento di un solido.

• Verranno illustrati i vari tipi di difetti nei solidi ed in particolare verrà introdotto il concetto di dislocazione, vera e propria deus ex machina delle proprietà meccaniche dei materiali. Si descriverà come i difetti influenzano grandemente non solo le proprietà meccaniche ma anche quelle ottiche ed elettromagnetiche dei solidi, ad iniziare da quelle dei semiconduttori.

• Infine si accennerà ai Materiali a memoria di forma. Queste sostanze possiedono proprietà meccaniche particolarissime grazie ad un meccanismo di deformazione completamente diverso da quello delle altre sostanze. Vedrete un filo di Nitinol accartocciato che riprende la forma iniziale, motori basati sulla deformazione martensitica e leghe metalliche con una deformabilità elastica paragonabile a quella di un elastico polimerico.

 

6. Fenomeni quantistici collettivi

Introduzione ai fenomeni quantistici collettivi nella materia condensata. Proprietà fisiche di materiali ferromagnetici, superconduttori, superfluidi e loro applicazioni.

7. Materiali quantici e tecnologie quantistiche

Materiali per quantum computing e sensori quantici.

8. Le nuove frontiere della ricerca nella Fisica della Materia

Il corso includerà un ciclo di lezioni introduttive su alcuni attuali temi di ricerca nel campo della fisica degli stati condensati, dai quantum materials ai nanomateriali.

Testi/Bibliografia

La maggior parte del materiale didattico è presente su virtuale e consiste in articoli, sia divulgativi che tecnici sugli argomenti trattati, dispense, immagini e video relativi ad ogni argomento del programma. E' inoltre presente un elenco di libri di riferimento e di approfondimento.

Metodi didattici

Lezioni e dimostrazioni in aula. Visione e discussione di video scientifici.

Modalità di verifica e valutazione dell'apprendimento

Esame orale/prova pratica.

Per poter sostenere l'esame è richiesta una tesina scritta (circa 15 pagine) su un argomento concordato con il docente. L'argomento potrà essere presentato in un tempo di circa 20 minuti, in una tra le seguenti due diverse modalità.

a) Presentazione orale, anche tramite l'ausilio di un proiettore (circa 15 slides).

b) Preparazione e dimostrazione pratica in sede di esame di uno o più esperimenti collegati agli argomenti trattati nel corso.

Oltre che sulla qualità dell'esposizione e della stesura della tesina, la valutazione finale si baserà sul grado di approfondimento e comprensione sia dell'argomento presentato che dei concetti di base della fisica degli stati condensati affrontati nel corso.

Strumenti a supporto della didattica

Verranno indicati durante il corso video di natura scientifica come supporto sperimentale degli argomenti trattati.

Orario di ricevimento

Consulta il sito web di Enrico Gianfranco Campari

Consulta il sito web di Samuele Sanna