Physics - Fisica

ERNESTO PLACIDI
MARTA DE LUCA

OBIETTIVI GENERALI:
Gli obiettivi principali di Physics Laboratory I sono:
i) apprendimento dei principi fisici sull'interazione fra radiazione elettromagnetica o particelle e la materia, dei principi di funzionamento di sorgenti di particelle e di rivelatori;
ii) apprendimento di tecniche di laboratorio e delle loro basi teoriche, ai fini della realizzazione di un'esperienza di laboratorio nel successivo corso di Physics Laboratory II.
Al termine del corso, gli studenti svilupperanno doti di ragionamento quantitativo e abilità di comprensione delle tecniche sperimentali per lo studio dei fenomeni relativi collegati (a seconda del canale scelto) alla fisica delle particelle, alla fisica della materia condensata e della biofisica. Inoltre, gli studenti saranno capaci di:
- identificare le assunzioni alla base di un esperimento di fisica
- identificare e spiegare i limiti delle ipotesi su cui si basa una tecnica sperimentale.

L'insegnamento è erogato in tre canali corrispondenti a tre diversi indirizzi. Un canale è rivolto a studenti interessati alla fisica sperimentale delle particelle elementari. Per tale canale, al termine del corso, lo studente conoscerà i principi di funzionamento di rivelatori a gas, di rivelatori a stato solido, calorimetri elettromagnetici, tecniche di identificazione di particelle (anche basate su effetto Cherenkov), spettrometri magnetici e rivelatori di fotoni (PMT, fotodiodi e simili).
Un secondo e terzo canale sono rivolti a studenti interessati alla fisica della materia condensata e alla biofisica. Per tali canali, al termine del corso, lo studente conoscerà i fondamenti delle tecniche di diffrazione con elettroni e raggi x, di microscopia a scansione su scala atomica, di spettroscopia ottica e Raman, di spettroscopia elettronica di fotoemissione, luce di sincrotrone e assorbimento di raggi x.

OBIETTIVI SPECIFICI:
A - Conoscenza e capacità di comprensione
OF 1) Conoscere i fondamenti delle tecniche sperimentali moderne
OF 2) Comprendere gli ordini di grandezza delle quantità sperimentali rilevanti
OF 3) Conoscere il campo di utilizzo delle più comuni tecniche sperimentali moderne

B – Capacità applicative
OF 4) Saper dedurre la tecnica sperimentale e la strumentazione utile per risolvere uno specifico problema
OF 5) Risolvere problemi di dimensionamento approssimato degli apparati sperimentali rispetto alle precisioni richieste (p. es risoluzione spaziale, temporale o spettrale, energia della sonda, etc.)

C - Autonomia di giudizio
OF 6) Essere in grado di giudicare la fattibilità o meno di un esperimento i cui obiettivi siano descritti a grandi linee
OF 7) Integrare le conoscenze acquisite in una prospettiva di sviluppo tecnologico anche al di fuori della fisica (per esempio informatica, genetica, scienza dei materiali, … )


D – Abilità nella comunicazione
OF 8) Saper comunicare con un fisico sperimentale (se di indirizzo teorico) oppure sapere cosa un fisico teorico conosce degli esperimenti (se di indirizzo sperimentale)
OF 9) Avere la capacità di partecipare ad una conferenza scientifica come auditore o come presentatore facendo riferimento alle tecniche sperimentali più diffuse, anche senza averle imparate ad utilizzare

E - Capacità di apprendere
OF 10) Avere la capacità di consultare un articolo scientifico in cui siano menzionati esperimenti moderni
OF 11) Essere in grado di ideare e sviluppare un progetto di tesi di laurea che contenga una componente sperimentale, pratica o anche solo di letteratura/ stato dell’arte/ analisi dei dati.

Il corso fornisce una panoramica delle principali metodologie sperimentali utilizzate nella fisica della materia, con particolare attenzione alla preparazione dei campioni, alle tecniche di caratterizzazione strutturale, microscopica, spettroscopica e ottica, nonché ai principi di progettazione e interpretazione degli esperimenti. Verranno inoltre introdotti concetti fondamentali relativi al vuoto, ai materiali a bassa dimensionalità, alla fotonica e alle tecniche avanzate di microfabbricazione e manipolazione della materia.

Per una proficua frequenza del corso sono richieste conoscenze di base di:

Fisica generale, con particolare riferimento a meccanica, elettromagnetismo e ottica.
Meccanica quantistica di base, inclusi i concetti di stati quantistici, livelli energetici e interazione radiazione–materia.
Struttura della materia, proprietà atomiche e dei solidi.
Matematica per la fisica, in particolare algebra lineare, calcolo differenziale e integrale e nozioni elementari di equazioni differenziali.
Fondamenti di fisica della materia e stato solido, quali struttura cristallina, bande elettroniche e proprietà elettroniche dei materiali.

È inoltre consigliata una familiarità di base con metodi sperimentali, analisi dei dati e trattamento delle incertezze di misura.

Programma:

1. Introduzione alla fisica sperimentale della materia
Organizzazione del corso.
Principali aree della fisica della materia.
Progettazione di un esperimento: qualità dei campioni, scelta della tecnica sperimentale, ottimizzazione del design sperimentale, analisi e interpretazione dei dati.
2. Fisica e tecnologia del vuoto
Regimi di vuoto: viscoso e molecolare.
Libero cammino medio.
Diffusione, evaporazione, sublimazione, desorbimento e permeazione.
Principi fisici e tecnici dei sistemi di pompaggio.
3. Materiali e dispositivi a bassa dimensionalità
Densità degli stati nei sistemi a bassa dimensionalità.
Crescita e fabbricazione di nanostrutture e dispositivi.
Tecniche di esfoliazione.
Realizzazione di dispositivi basati su materiali bidimensionali e nanostrutturati.
4. Tecniche microscopiche
Microscopia elettronica a scansione (SEM) e microanalisi EDX.
Introduzione alle microscopie a sonda.
Microscopia a scansione a effetto tunnel (STM).
Microscopia a forza atomica (AFM): modalità di contatto e modalità dinamiche.
5. Diffrazione e caratterizzazione strutturale
Diffrazione di raggi X e neutroni.
Diffrazione di elettroni.
Diffrazione in sistemi a bassa dimensionalità.
Introduzione alla microscopia elettronica in trasmissione (TEM) e alle tecniche basate su luce di sincrotrone.
6. Fondamenti di laser e fotonica
Emissione spontanea e stimolata, sistemi a più livelli.
Guadagno, perdite e cavità laser.
Laser continui e impulsati.
Mode-locking, frequenza di ripetizione, durata degli impulsi e larghezza di banda.
7. Tecniche di rivelazione ottica
Camere CCD, fotodiodi e tecniche lock-in.
Single-photon counting.
Autocorrelazione spaziale e temporale.
Fonti di rumore: shot noise, rumore elettronico e di lettura.
Range dinamico e digitalizzazione.
Regime classico e quantistico della luce e funzione di correlazione g
(2)
.
8. Manipolazione della luce
Manipolazione spaziale mediante Spatial Light Modulator.
Processi ottici non lineari del secondo ordine.
Rettificazione ottica.
Generazione di luce quantistica ed entanglement.
Manipolazione vettoriale della luce.
9. Spettroscopie ottiche
Spettroscopia di assorbimento.
Riflettanza e fotoluminescenza.
Spettroscopia Raman.
Spettroscopia infrarossa e Nano-IR.
Microscopia ottica lineare e non lineare, microscopia confocale e limiti di risoluzione.
10. Tecniche fotoelettroniche
Spettroscopia di fotoemissione a raggi X (XPS).
Fotoemissione ultravioletta (UPS).
Introduzione alle sorgenti di luce di sincrotrone.
11. Microfabbricazione e micromanipolazione
Litografia.
Direct Laser Writing a uno e due fotoni.
Pressione di radiazione.
Pinzette ottiche (Optical Tweezers).
12. Applicazioni ed esperienze sperimentali
Panoramica di esperimenti e casi di studio.
Integrazione delle diverse tecniche nella progettazione e realizzazione di esperimenti di fisica della materia.

Il corso non ha un solo testo di riferimento ma i docenti forniranno su Elearning materiali (slides, estratti di libri, articoli...)

Lezioni frontali e 1/2 esperienze didattiche laboratoriali svolte in laboratori di ricerca di fisica della materia.

La frequenza alle lezioni frontali è cosigliata ma non obbligatoria, mentre è obbligatoria la presenza alle esperienze di laboratorio.

Prova orale su programma del corso e discussione di uno o due esperimenti svolti a valle delle lezioni frontali.