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Physics of Superconductors with laboratory

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Physics of Superconductors

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Anno accademico 2023/2024

Codice attività didattica
FIS0213
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
Secondo semestre
Tipologia
D=A scelta dello studente
Crediti/Valenza
6
SSD attività didattica
FIS/03 - fisica della materia
Erogazione
Tradizionale
Lingua
Inglese
Frequenza
Facoltativa
Tipologia esame
Orale
Prerequisiti

Knowledge of basic physics (mechanics, electromagnetism) and of quantum mechanics. A few notions of Solid State Physics may help.


Conoscenze della fisica di base (meccanica, elettromagnetismo) e di meccanica quantistica. Alcune nozioni di Fisica dello Stato Solido possono essere utili.
Propedeutico a

No mandatory preparatory course is requested to access this course. On the other hand, this course is not preparatory for other courses. However, attending this course can be advised in case you want to carry out a thesis project in the field of superconductors.


Non è richiesta alcuna propedeuticità per questo corso, nè questo corso è propedeutico ad alcun altro corso. Tuttavia questo corso può essere consigliato a chi intende svolgere una tesi nel campo dei superconduttori.

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Sommario insegnamento

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Obiettivi formativi

  • Basic knowledge of the properties of superconducting materials.
  • Basic knowledge of the working principles of the devices presented in the course.
  • Basic skills in measuring, organizing, analyzing, presenting and discussing experimental data.

  • Conoscenza delle proprietà di base dei materiali superconduttori.
  • Conoscenza di base dei principi fisici di funzionamento dei dispositivi trattati nel corso.
  • Saper misurare, organizzare, analizzare, presentare e discutere dati sperimentali.

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Risultati dell'apprendimento attesi

After having completed the course, the student will have skills in:

  • Describing the fundamental properties of various classes of superconducting materials and their respective fields of application.
  • Describing the operation principles of a Josephson junction and its possible applications.
  • Evaluating and solving experimental issues in the electrical characterization of devices at low-temperature.

After having completed the course, the student will have:

  • Theoretical knowledge in modeling superconducting materials
  • Theoretical knowledge in modeling electronic devices based on superconducting materials.
  • Experimental knowledge in the characterization of the above-mentioned materials and devices.

 

Dopo aver seguito il corso, lo studente sarà in grado di:

  • Descrivere le proprietà fondamentali delle varie classi di materiali superconduttori e i rispettivi ambiti di applicazione.
  • Descrivere il funzionamento di una giunzione Josephson e le sue possibili applicazioni.
  • Valutare e risolvere le problematiche sperimentali relative alla caratterizzazione elettrica di dispositivi a bassa temperatura.

Dopo aver seguito il corso, lo studente sarà in possesso di:

  • Competenze teoriche nella modellizzazione di materiali superconduttori.
  • Competenze teoriche nella modellizzazione di dispositivi elettronici a superconduttore.
  • Competenze sperimentali nella caratterizzazione dei materiali e dispositivi suddetti.

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Programma

Phenomenology of superconductivity:

  • Experimental variables, themodynamics of the superconducting transition, type I and type II superconductivity.
  • Structure and dynamics of vortexes, pinning.
  • London equations.

Microscopic origin of superconductivity: the phonon-mediated attractive interaction.

Macroscopic quantum model and magnetic flux quantization.

Josephson effect:

  • Governing equations and its different versions.
  • RCSJ model and its mechanical analogue.
  • Operation principle of the SQUID.

Different kinds of superconducting materials:

  • Low, medium and high-Tc.
  • Orders of magnitude of their basic quantities.
  • Synthesis techniques and applications.

Thermodynamics of normal and superconducting materials.

Ginzburg-Landau theory for the superconducting transition:

  • The coherence length.
  • Origin of the difference between type I and type II supercondutors.

Practical classes:

  • Measurement of the I-V characteristics of a YBCO or BSCCO superconductor.
  • Measurement of the basic parameters of YBCO-based SQUID.

Fenomenologia della superconduttività:

  • Variabili sperimentali, aspetti termodinamici della transizione superconduttiva, superconduttività di tipo I e II
  • Struttura e dinamica dei vortici, pinning
  • Equazioni di London

Origine microscopica della superconduttività: interazione attrattiva mediata dai fononi

Modello quantistico macroscopico e quantizzazione del flusso di campo magnetico

Effetto Josephson:

  • Equazioni di base e sue differenti versioni.
  • Modello RCSJ e analogo meccanico
  • Principio di funzionamento dello SQUID

Tipologie di materiali superconduttori:

  • Materiali a bassa, media ed alta Tc
  • Ordini di grandezza delle grandezze fondamentali
  • Tecniche di sintesi e applicazioni

Termodinamica dei metalli normali e dei superconduttori

Teoria di Ginzburg- Landau per la transizione superconduttiva:

  • Lunghezza di coerenza
  • Origine della distinzione tra superconduttori di tipo I e II

Esperienze di laboratorio:

  • Misura delle caratteristiche I-V nei superconduttori YBCO o BSCCO
  • Misura dei parametri fondametali di uno SQUID in YBCO

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Modalità di insegnamento

In person by means of ordinary classes.

The course is organized as follows:

  • 5 ECTS points of frontal lectures ( 5*8 = 40 hours; elective attendance)

  • 1 ECTS point of laboratory practicals (12 hours, mandatory attendance for at least 70% of the time)

In presenza tramite lezioni frontali. 

Il corso è così suddiviso:

  • 5 CFU di lezioni frontali (5*8=40 ore; frequenza facoltativa);
  • 1 CFU di laboratorio (12 ore; frequenza obbligatoria, minimo 70% delle ore previste).

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Modalità di verifica dell'apprendimento

The exam will consist in oral questions in which the following aspects will be evaluated:

  • understanding of the contents of the frontal lectures;
  • contents of the reports of the supporting laboratory activities.

For the final marks, the weight of the oral examination is 5/6=83.3%, and the weight of each of the 2 experimental reports is 1/12=8.33%.

 

The examinations will be in person.

Students who are in conditions of health problems related to COVID-19 (which has 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.

L' esame consisterà in un colloquio orale in cui si valuteranno:

  • la comprensione dei contenuti delle lezioni frontali;
  • i contenuti delle relazioni delle attività integrative di laboratorio.

Per il voto finale, il peso del'esame orale è 5/6=83,3%, mentre il peso di ciascuna delle 2 relazioni è 1/12=8,33%.

 

Gli esami saranno tenuti in presenza.

 Agli studenti e alle studentesse che, in relazione al COVID-19, rientrino in una condizione di fragilità personale o positività (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 specifiche esigenze relative a disabilità e/o disturbi specifici dell’apprendimento.

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Attività di supporto

The teacher is available on request to deepen specific topics of the course during individual meetings or in small groups. Additional learning material can be provided on request.

Il docente è disponibile su richiesta per approfondire specifici argomenti del corso durante colloqui indviduali o in piccoli gruppi. Ulteriore materiale didattico è disponibile su richiesta.

Testi consigliati e bibliografia

Oggetto:

  • Terry P. Orlando, Kevin A. Delin : "Foundations of Applied Superconductivity", Addison Wesley, Reading, Massachussets, 1991
  • Charles P. Poole, Horacio A. Farach, Richard J. Creswick: Superconductivity, Academic Press, San Diego - London, 1995 
  • Lecture notes and slides provided by the teacher.

  • Terry P. Orlando, Kevin A. Delin : "Foundations of Applied Superconductivity", Addison Wesley, Reading, Massachussets, 1991
  • Charles P. Poole, Horacio A. Farach, Richard J. Creswick: Superconductivity, Academic Press, San Diego - London, 1995 
  • Dispense fornite dal docente.



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Note

The Course will start on February 28th at 9.00 a.m. in Aula Verde.

 

Le note delle lezioni e le slides vengono caricate soltanto sulla pagine Moodle del corso.

Il corso inizierà il 28/2/24 alle ore 9.00 in Aula Verde.

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Orario lezioniV

GiorniOreAula
Lunedì14:00 - 16:00Aula Wick Dipartimento di Fisica
Mercoledì9:00 - 11:00Aula Verde Dipartimento di Fisica

Lezioni: dal 26/02/2024 al 07/06/2024

Registrazione
  • Aperta
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    Ultimo aggiornamento: 27/02/2024 14:43
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