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Alice RUINI
Professore Associato
Dipartimento di Scienze Fisiche, Informatiche e Matematiche sede ex-Fisica
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Insegnamento: Laboratory of Quantum Simulation of Materials
Physics - Fisica (Offerta formativa 2024)
Obiettivi formativi
Fornire allo studente:
(i) le conoscenze di base della teoria del funzionale densità, una teoria quantistica a molti corpi largamente utilizzata nell’analisi delle proprietà fisiche fondamentali dei sistemi a molti elettroni (atomi, molecole e materiali);
(ii) la capacità di applicare tale teoria autonomamente per effettuare lo studio computazionale delle proprietà (principalmente strutturali ed elettroniche) di diverse classi di sistemi (come semicondutttori, metalli, superfici, nanostrutture, biomolecole).
Prerequisiti
Conoscenze fondamentali di Meccanica Quantistica, Struttura della Materia e della Fisica dello Stato Solido.
Programma del corso
FONDAMENTI: Schemi teorici e modellizzazione (36 ore)
-Introduzione alla Fisica Computazionale della Materia e del Materiali.
-Richiami sulla teoria di Hartree e Hartree Fock per lo studio delle proprieta’ elettroniche.
-I teoremi di Hohenberg-Kohn e la Density-Functional Theory (DFT).
-Lo schema di Kohn-Sham.
-I principali funzionali di scambio e correlazione.
-Il metodo degli Pseudopotenziale; Tipologie di pseudopotenziali.
-La base di onde piane, convergenza.
-Integrazione in spazio reciproco, le griglie di punti k.
-Il caso dei metalli: la tecnica dello smearing.
-Studio dei sistemi a bassa dimensionalita’ (2D, 1D, 0D): la tecnica delle supercelle.
-Proprieta’ strutturali ed elettroniche.
-Rilassamento atomico. Costanti elastiche e pro;rieta’ meccaniche.
-Dinamica ionica, fononi, proprieta’ vibrazionali.
-Proprieta’ magnetiche: DFT risolta in spin.
-Limiti della DFT.
-Time-Dependent Density-Functional Theory (TDDFT).
(-Cenni alla Dinamica Molecolare classica e quantistica.)
LABORATORIO: Applicazioni numeriche cone codici di calcolo DFT open-source (24 ore)
-Calcolo delle proprieta’ strutturali in solidi estesi (semiconduttori e metalli).
-Calcolo della struttura a bande elettroniche e densita’ degli stati in solidi estesi.
-Calcolo delle proprieta’ strutturali ed elettroniche nei solidi delimitati da superfici.
-Molecole: ottimizzazione della struttura, calcolo di livelli energetici, affinita’ elettronica e potenziale di ionizzazione.
-Reazioni chimiche: calcolo dell’entalpia di reazione.
Metodi didattici
Lezioni frontali partecipate per la presentazione della parte teorica.
Attività di laboratorio guidata (hands-on) per la parte di calcolo numerico.
Ricevimento su appuntamento (lun 14-16 o in altri momenti, previo accordo via e-mail).
Modalità per studenti lavoratori:
gli studenti lavoratori che non possono frequentare le lezioni devono comunicarlo al docente per ricevere le indicazioni specifiche sugli argomenti da studiare sui libri di testo consigliati e con il supporto del materiale didattico fornito.
Ricevimento su appuntamento concordato via e-mail.
Testi di riferimento
R M Dreizler e E K U Gross, Density Functional Theory, Springer 1990
H Eschrig, The Fundamentals of Density Functional Theory, Teubener Verlagsgesellschaft, 1996
R G Parr e W Yang, Density Functional Theory of Atoms and Molecules, Oxford University Press, 1989
P Giannozzi, Appunti per il corso di Metodi Numerici in Struttura Elettronica, Universita' di Udine, 2008
Verifica dell'apprendimento
La verifica dell’apprendimento avverrà tramite esame che consiste nella presentazione/discussione orale di una relazione scritta su un argomento del corso. Ad ogni studente verrà infatti proposto lo studio di un determinato sistema (o di una serie di sistemi) per il quali si richiede di effettuare il calcolo di alcune proprietà di interesse. La relazione finale dovrà includere, oltre che una presentazione efficace e una discussione critica dei risultati ottenuti, una introduzione al problema, la presentazione dello schema teorico/computazionale utilizzato, il confronto con la letteratura pertinente, e le conclusioni.
Risultati attesi
Conoscenza e capacità di comprensione:
Tramite le lezioni in aula e il materiale didattico fornito dal docente, al termine del corso lo studente avrà le conoscenze di base della teoria del Funzionale Densità e della sua implementazione computazionale.
Capacità di applicare conoscenza e comprensione:
Tramite le esercitazioni numeriche hands-on effettuate in aula, al termine del corso lo studente sarà in grado di applicare queste conoscenze a problemi di fisica relativi ai contenuti citati.
Autonomia di giudizio:
Grazie alla varietà di esempi forniti, al termine del corso lo studente sarà in grado di riconoscere in modo autonomo gli approcci descrittivi e i metodi di calcolo appropriati ai diversi tipi di problemi di fisica di materia e dei materiali.
Abilità comunicative:
Grazie alle discussioni con il docente e alla preparazione della relazione e del colloquio finale, al termine del corso lo studente sarà in grado di relazionare sia in forma scritta che in forma orale sugli argomenti presentati nel corso con linguaggio scientifico e competenza formale appropriati.
Capacità di apprendimento:
La preparazione della relazione di esame finale (che sarà eventualmente guidata dal docente ma che comprende un’attività autonoma di lavoro e di ricerca bibliografica) permetterà lo sviluppo di abilità di apprendimento indipendenti e di approfondimento/confronto critico.