 |
Marco AFFRONTE
Professore Ordinario
Dipartimento di Scienze Fisiche, Informatiche e Matematiche sede ex-Fisica
|
Insegnamento: Magnetism, spintronics and quantum technologies
Physics - Fisica (Offerta formativa 2022)
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
Fondamenti di Magnetismo: 3CFU/24ore
Teoria classica del Magnetismo nella materia:
Fattore di demagnetizzazione.
La suscettività magnetica: tecniche di misura; andamenti tipici.
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.
Interazioni magnetiche:
interazione di scambio, super-scambio, doppio scambio.
Hamiltoniane di spin. Casi paricolari.
magnetismo con elettroni liberi. Interazione RKKY.
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.
Nano-magnetismo.
Particella a singolo dominio. Super-paramagnetismo.
Nanoparticelle & magneti molecolari.
Modello di Stoner Wohlfarth.
Modello di Landau-Lifschitz-Gilbert.
Modello Nèel-Brown.
Magnetismo Molecolare: 1CFU/6ore
Controllo del momento magnetico a livello molecolare
Effetti Quantistici: Quantum Tunneling della Magnetizzazione
Fondamenti di spintronica: 1CFU/10ore
Magnetismo nei metalli
Elettroni liberi; Paramagnetismo di Pauli; spin split delle bande. modello di Mott a 2 resistori
Spin Injection and Accumulation at interfaces.
Dispositivi Spintronica.
Spin valve;
Giant Magneto Resistance.
Magnetic Random Access Memory.
Spin torque
Spin transfer Oscillators
Spin transistors
Spin Hall Effect
Quantum Technologies: 1 CFU/8ore
Cryogenics and Superconducting Magnets
Quantum Sensing with NV centers in diamond
Josephson junction based 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 divisa in due parti: la prima parte a domande aperte sui Fondamenti di Magnetismo; la seconda parte consiste in un seminario di approfondimento su uno dei 3 argomenti di magnetismo molecolare; spintronica o tecnologie quantistiche. Una relazione facoltativa viene valutata nel caso di esperienze di laboratorio. Durata 30-45 min.
Risultati attesi
Alla fine del corso lo studente dovrebbe essere in grado di comprendere i fenomeni principali, e dispositivi magnetici
L'apprendimento sarà verificato secondo i seguenti criteri:
1: conoscenza e comprensione: concetti di base e leggi sui fondamenti del magnetismo
2. Capacità di applicare conoscenza e comprensione: attraverso attività sperimentali o esercizi
3. Autonomia di giudizio: posizionamento singolo argomento in contesto generale
4. Abilità comunicative: attraverso la presentazione di seminari e/o la stesura di una breve relazione
5. Capacità di apprendimento: verifica della capacità di utilizzare pacchetti software dedicati per l'analisi dei dati e/o nell'utilizzo di strumentazione dedicata alle misure magnetiche