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Fisica dello stato solido

Oggetto:

Solid State Physics

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Anno accademico 2023/2024

Codice attività didattica
MFN1342
Docente
Marco Truccato (Titolare)
Corso di studio
008510-105 Laurea Magistrale in Fisica ind. Fisica del Sistema Meteoclimatico, Generale e delle Tecnologie Avanzate
Anno
1° anno
Periodo
Primo semestre
Tipologia
B=Caratterizzante
Crediti/Valenza
6
SSD attività didattica
FIS/03 - fisica della materia
Erogazione
Tradizionale
Lingua
Italiano
Frequenza
Facoltativa
Tipologia esame
Scritto ed orale
Prerequisiti
Conoscenze della fisica di base (meccanica, elettromagnetismo, ottica) e di meccanica quantistica.
Knowledge of basic physics (Mechanics, Electromagnetism, Optics) and of Quantum Mechanics.

Propedeutico a

Laboratorio di Fisica della Materia

Material Physics Laboratory
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Sommario insegnamento

Oggetto:

Obiettivi formativi

Fornire le nozioni per la comprensione dei fenomeni fondamentali della dinamica elettronica e reticolare nei solidi e delle proprietà di alcune classi di materiali.

 

To provide the students with the concepts necessary to understand of the fundamental phenomena of electronic and lattice dynamics in solids, and of the properties of some classes of materials.

 

Oggetto:

Risultati dell'apprendimento attesi

Nozioni fondamentali per la definizione delle principali caratteristiche ottiche/elettroniche e termiche dei materiali solidi.

Nozioni fondamentali per la comprensione dei fenomeni fisici alla base di alcune delle piu' diffuse tecniche sperimentali per la caratterizzazione di materiali e dispositivi a stato solido.

Sapere descrivere il moto elettronico all'interno dei solidi dal punto di vista classico, semiclassico e quantistico.

Padroneggiare le implicazioni della struttura periodica spaziale nei confronti delle onde, sia elettromagnetiche che elettroniche.

Sapersi orientare all'interno di una situazione fisica relativa alla conduzione nei solidi individuando le grandezze importanti e il loro ordine di grandezza.

 

Fundamental concepts for the definition of the main optical, electronic and thermal characteristics of solid materials.

Fundamental concepts for the comprehension of physical phenomena at the base of some of the most widespread experimental techniques for the characterization of solid-state materials and devices.

Students will be able to describe the electronic motion in solids from a classical, semiclassical and quantum viewpoint.

Students will be able to handle the implications of the spatial periodic structure on waves, both electromagnetic and electronic.

Students will know how to deal with a physical situation related to electrical conduction in solid materials identifying the important quantities and their orders of magnitude.

  

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Programma

  • Onde nei mezzi dispersivi e significato della relazione di dispersione.
  • Reticoli cristallini e influenza delle loro proprietà di simmetria sulle grandezze fisiche. Tecniche sperimentali per i raggi X. Teoria di Laue della diffrazione. Reticolo reciproco e sue proprietà. Equivalenza tra teoria di Bragg e teoria di Laue.
  • Vibrazioni reticolari. Catena lineare monoatomica. Sistemi a numero finito di gradi di libertà e decomposizione in modi normali. Cenni alla quantizzazione delle vibrazioni e concetto di fonone. Catena biatomica. Termini anarmonici e accoppiamento tra fononi: momento del fonone. Scattering neutronico.
  • Calcolo dei calori specifici reticolari in approssimazione di Debye. Cenni ai fenomeni anelastici e alla conduttività termica del reticolo.
  • Modello ad elettroni liberi per i metalli. Livello di Fermi in varie dimensionalità. Proprietà di conduzione elettrica e termica per il gas di Fermi. Collisioni con fononi e legge di Wiedermann-Franz. Effetto termoelettrico.
  • Oscillazioni di plasma e lunghezza di schermo elettrostatico. Effetti della statistica di Fermi-Dirac per la depressione delle sezione d'urto elettrone-elettrone. Effetto Hall e magnetoresistenza.
  • Elettroni in un reticolo periodico. Teorema di Bloch e sue implicazioni. Bande di energia. Cenni al modello di Kronig-Penney. Modello ad elettroni quasi liberi in 1D e funzione d'onda approssimata vicino al bordo zona. Superfici di Fermi in 2D e in 3D.
  • Modello semiclassico per la dinamica elettronica nelle bande. Tensore massa efficace.  Equivalenza della descrizione della conduzione per mezzo di elettroni o di lacune. Cenni alle oscillazioni di Bloch.

 

  • Waves in dispersive media and meaning of dispersion relation.
  • Crystalline lattices and influence of their symmetry properties on physical quantities. Experimental techniques for X-rays. Laue theory of diffraction. Reciprocal lattice and its properties. Equivalence among Bragg and Laue theories.
  • Lattice vibrations. Linear monoatomic chain. Systems with a finite number of degrees of freedom and decomposition in normal modes. Hints about the quantization of vibrations and the concept of phonon. Biatomic chain. Anharmonic terms and phonon coupling: phonon momentum. Neutron scattering.
  • Calculation of the lattice specific heat in the Debye approximation. Hints about anelastic phenomena and thermal conductivity of the lattice.
  • Free-electron model for metals. Fermi level in different dimensions. Properties of electrical and thermal conduction for the Fermi gas. Phonon scattering and Wiedermann-Franz law. Thermoelectric effect.
  • Plasma oscillations and electrostatic screening length. Effects of the Fermi-Dirac statistics on the electron-electron scattering cross section. Hall effect and magnetoresistance.
  • Electrons in a lattice. Bloch's theorem and its implications. Energy bands. Hints about the Kronig-Penney model. Quasi-free electron model in 1D and approximate wavefunction close to the Brillouin zone boundary. Fermi surfaces in 2D and 3D.
  • Semiclassical model for electronic dynamics within the energy bands. Effective mass tensor. Equivalence among description of conduction by electrons or holes. Hints to the Bloch oscillations.

 

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Modalità di insegnamento

In presenza, salvo aggiornamenti sui provvedimenti adottati da UniTo e  disponibili sul sito "Disposizioni per chi studia e lavora in UniTo" https://www.unito.it/ateneo/gli-speciali/coronavirus-aggiornamenti-la-comunita-universitaria/disposizioni-chi-studia-e

Il totale delle ore fontali previste è 48. All'interno di questo monte ore sono previste anche alcune ore di esercitazione.


In person, except in case of updates and measures to be adopted by UniTo, which will be avalable at the URL:  "Disposizioni per chi studia e lavora in UniTo" https://www.unito.it/ateneo/gli-speciali/coronavirus-aggiornamenti-la-comunita-universitaria/disposizioni-chi-studia-e

The total amount of class hours is 48. A few of them will be dedicated to exercises.

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Modalità di verifica dell'apprendimento

Normalmente l'esame consiste di un esame scritto obbligatorio piu' un orale facoltativo, entrambi in presenza, salvo aggiornamenti sui provvedimenti adottati da UniTo e disponibili sul sito ""Disposizioni per chi studia e lavora in UniTo" https://www.unito.it/ateneo/gli-speciali/coronavirus-aggiornamenti-la-comunita-universitaria/disposizioni-chi-studia-e 


Secondo le disposizioni di Ateneo, agli studenti e alle studentesse che rientrino in una condizione di fragilità personale o positività in relazione al Covid-19, autocertificata nella fase di prenotazione all’appello, è garantita la possibilità di svolgere l’esame a distanza, secondo una delle modalità previste dall’Ateneo, tenendo anche conto di eventuali disabilità e/o di disturbi specifici dell’apprendimento.

L'esame scritto obbligatorio consiste nella risposta a 4 quesiti, tra cui la risoluzione di un esercizio. Il punteggio totale è equamente ripartito tra i 4 quesiti, e il punteggio attribuito a ciascuno di essi corrisponde ad una frazione del punteggio massimo disponibile ottenuta interpolando in base alla correttezza, pertinenza e completezza delle risposte. Il punteggio dell'esame scritto si ottiene sommando i punti ottenuti per ciascun quesito.

L'esame orale facoltativo consiste nella risposta a due domande e il voto finale è determinato  usando il voto dell'esame scritto come punto di partenza.

 

Usually the examination consists of a mandatory written part plus an optional oral part, both to be taken in person, except in case of updates and measures to be adopted by UniTo, which will be avalable at the URL:  "Disposizioni per chi studia e lavora in UniTo" https://www.unito.it/ateneo/gli-speciali/coronavirus-aggiornamenti-la-comunita-universitaria/disposizioni-chi-studia-e

Students who are in conditions of health problems related to COVID-19 (which have to be declared when booking the exam) will be allowed to take their exams in remote mode, following one of the ways established by the University, also considering the specific needs by physically impaired students and students with learning disorders.

The mandatory written examination consists in answering 4 questions, one of which is the solution of an exercise. The marks are evenly subdivided among these 4 questions, and the marks obtained for each question correspond to a fraction of the maximum available marks that is obtained by means of interpolation on the basis of the correctness, relevance and completeness of the answers. The total marks of the written examination correspond to the sum of the marks of each question.

The optional oral examination consists in answering two questions and the final marks of the whole exam are determined by using the marks of the written part as a starting point.

 

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Attività di supporto

Risoluzione in aula di esempi di compiti di esame.

Lectures dedicated to solving a few examples of the written test.

Testi consigliati e bibliografia

Oggetto:

  • C. Kittel, Introduzione alla Fisica dello Stato Solido, Casa editrice Ambrosiana, 2008
  • N. W. Ashcroft, N. D. Mermin: Solid State Physics, Harcourt College Publishers, 1976
  • Diapositive proiettate a lezione sono disponibili alla voce "Materiale Didattico"

 

Even if the first textbook is presented in the Italian Edition, it can be easily found in the original English one.

  • C. Kittel, Introduzione alla Fisica dello Stato Solido, Casa editrice Ambrosiana, 2008
  • N. W. Ashcroft, N. D. Mermin: Solid State Physics, Harcourt College Publishers, 1976
  • Slides used during lessons are available at "Materiale Didattico" (Educational Material) link .



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Note

  1. Tutti i contenuti elettronici del corso quest'anno verranno caricati sulla pagina Moodle del corso (vedi icona "Vai a Moodle" a fondo pagina). Usare Campusnet solo per visionare il materiale del corso degli anni precedenti.
  2. Il corso inizierà il 25/9/23 alle ore 11.00 in aula Verde.

  1. All of the electronic documents concerning the present year's version of the course will be uploaded on the Moodle webpage of the course (see the icon "Vai a Moodle" at the bottom of the page). Please use Campusnet just to check out the documents concerning previous years' versions of the course.

  2. The course will start on September 25th, 2023 at 11.00 a.m. in classroom Verde 

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Insegnamenti che mutuano questo insegnamento

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Altre informazioni

http://www.dfs.unito.it/solid
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Orario lezioniV

GiorniOreAula
Lunedì11:00 - 13:00Aula Wick Dipartimento di Fisica
Venerdì9:00 - 11:00Aula Verde Dipartimento di Fisica

Lezioni: dal 25/09/2023 al 12/01/2024

Registrazione
  • Aperta
    Apertura registrazione
    22/09/2022 alle ore 01:00
    Oggetto:
    Ultimo aggiornamento: 20/09/2023 18:10
    Location: https://www.fisicamagistrale.unito.it/robots.html
    Non cliccare qui!