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Marco AFFRONTE
Professore Ordinario
Dipartimento di Scienze Fisiche, Informatiche e Matematiche sede ex-Fisica
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Insegnamento: Magnetism, spintronics and quantum technologies
Physics - Fisica (Offerta formativa 2020)
Obiettivi formativi
Conoscenza e capacità di comprensione:
Il corso mira a fornire le basi del magnetismo nella materia e la descrizione di alcuni fenomeni legati al magnetismo su scala nano e molecolare. dispositivi spintronici e tecnologie quantistiche di base.
Capacità di applicare conoscenza e comprensione:
Al termine del corso lo studente sarà in grado di applicare queste conoscenze a semplici problemi di magnetismo e comprendere il funzionamento di dispositivi magnetici elementari.
Autonomia di giudizio:
Al termine del corso lo studente sarà in grado di riconoscere in modo autonomo gli approcci descrittivi appropriati a fenomeni magnetici.
Abilità comunicative:
Al termine del corso lo studente sarà in grado di relazionare oralmente sugli argomenti presentati nel corso con un linguaggio tecnico appropiato.
Capacità di apprendimento:
Lo studio, in parte eseguito su testi in lingua inglese, permetterà lo sviluppo di abilità di apprendimento autonomo e di approfondimento di argomenti collaterali a quelli presentati nel corso.
Prerequisiti
elettromagnetismo classico. meccanica quantistica.
Programma del corso
1. Teoria classica del Magnetismo nella materia:
Fattore di demagnetizzazione.
La suscettività magnetica: tecniche di misura; andamenti tipici.
2. Teoria quantistica del Momento magnetico:
Momento angolare e spin. Fattore-g.
ione isolato. Regole di Hund.
Meccanica statistica e proprietà termodinamiche: funzione di partizione, suscettività e calore specifico, effetto magnetocalorico.
Diamagnetismo.
Paramagnetismo: legge di Curie; formula di Van Vleck.
ione in un campo cristallino: metalli d- f-
anisotropia magnetica.
3. Interazioni magnetiche:
interazione di scambio, super-scambio, doppio scambio.
Hamiltoniane di spin. Casi paricolari.
magnetismo con elettroni liberi. Interazione RKKY.
4. Ordine a lungo raggio:
Mean field theory: teoria di Weiss (Nèel). Campo molecolare.
Parametro d'ordine.
ferro-, antiferro-, ferri- magnetismo, altri tipi di ordine. Spin glass.
Domini magnetici. Ciclo di isteresi. Campo coercitivo. Materiali hard & soft. Pareti di dominio.
Exchange bias. (anisotropia unidirezionale)
Domain wall & Spin logic.
5. Nano-magnetismo.
Particella a singolo dominio. Super-paramagnetismo.
Nanoparticelle & magneti molecolari.
Modello di Stoner Wohlfarth.
Modello di Landau-Lifschitz-Gilbert.
Modello Nèel-Brown.
6. Magnetismo nei metalli
Elettroni liberi; Paramagnetismo di Pauli; spin split delle bande. modello di Mott a 2 resistori
Spin Injection and Accumulation at interfaces.
7. Dispositivi Spintronica.
Spin valve;
Giant Magneto Resistance.
Magnetic Random Access Memory.
Spin torque
Spin transfer Oscillators
Spin transistors
8. Quantum Technologies:
Cryogenics and Superconducting Magnets
Quantum Sensing with NV centers in diamond
Josephson junction besed devices
Superconducting qubits
orario di ricevimento: martedi dalle 14 alle 16, primo piano Fisica
Metodi didattici
lezioni frontali
esperimenti in laboratorio
lettura e presentazione di articoli
Testi di riferimento
S. Blundell, "Magnetism in Condensed Matter" Oxford University Press.
Introduction to Solid State Physics, C. Kittel, Wiley.
Zutic, Fabian, and Das Sarma: “Spintronics: Fundamentals and applications” Rev. Mod. Phys., Vol. 76, No. 2, April 2004
E.Y. Tsymbal, Y. Zutic, Spintronics Handbook, Second Edition: Spin Transport and Magnetism: Vol 1 Metallic Spintronics 2019
S. Bandyopadhyay "Introduction to spintronics"CRC Press
T. Shinjo "Nanomagnetism and Spintronics" Elsevier 2009
Verifica dell'apprendimento
prova orale
Risultati attesi
Alla fine del corso lo studente dovrebbe essere in grado di comprendere i fenomeni principali, memorie e dispositivi logici magnetici