SUPERCONDUCTIVITY

Obiettivo del corso è l'acquisizione di conoscenze avanzate sulla superconduttività e sulla superfluidità a partire da aspetti fondamentali e fino alle possibili applicazioni alle teconologie quantistiche.

Conoscenza e capacità di comprensione (knowledge and understanding).
Comprensione critica degli sviluppi più avanzati della Fisica Moderna sia negli aspetti teorici che di laboratorio e delle loro interconnessioni, anche in campi interdisciplinari. Adeguata conoscenza degli strumenti matematici e informatici avanzati di uso corrente nei settori della ricerca di base e applicata. Notevole padronanza del metodo scientifico, e comprensione della natura e dei procedimenti della ricerca in Fisica. Durante il corso verranno presentati fatti sperimentali e modelli teorici della superconduttività e delle sue applicazioni, con riferimento ad applicazioni ed esperimenti moderni e interpretazioni teoriche innovative.

Capacità di applicare conoscenza e comprensione (applying knowledge and understanding)
Capacità di identificare gli elementi essenziali di un fenomeno, in termini di ordine di grandezza e di livello di approssimazione necessario, ed essere in grado di effettuare le approssimazioni richieste. Capacità di utilizzare lo strumento della analogia per applicare soluzioni conosciute a problemi nuovi (problem solving). Nel presentare la fenomenologia e gli aspetti teorici della superconduttività, si darà rilevanza alle grandezze maggiormente rilevanti, introducendo le altre come successive approssimazioni.

Autonomia di giudizio (making judgements)
Capacità di argomentare personali interpretazioni di fenomeni fisici, confrontandosi nell’ambito di gruppi di lavoro. Sviluppo del senso di responsabilità attraverso la scelta dei corsi opzionali e dell'argomento della tesi di laurea. Nell'esposizione degli argomenti, sia durante il corso che in occasione dell'esame, verranno presentati legami con altri corsi (principalmente, ma non soltanto, dell'indirizzo), alcuni dei quali opzionali, e con possibili argomenti di tesi di ricerca, di argomento sia sperimentale che teorico.

Abilità comunicative (communication skills).
Capacità di comunicare in lingua italiana e in lingua inglese nei settori avanzati della Fisica. Capacità di apprendimento (learning skills). Capacità di acquisire adeguati strumenti conoscitivi per l'aggiornamento continuo delle conoscenze. Capacità di accedere alla letteratura specializzata sia nel campo prescelto che in campi scientificamente
vicini. Capacità di utilizzare banche dati e risorse bibliografiche e scientifiche per estrarne informazioni e spunti atti a meglio inquadrare e sviluppare il proprio lavoro di studio e di ricerca. Capacità di acquisire, attraverso lo studio autonomo, conoscenze in nuovi campi scientifici. Frequentemente verrà fatto riferimento ad articoli scientifici di rassegna e di ricerca.

Lezioni frontali. Qualora l'insegnamento venisse impartito in modalità mista o a distanza potranno essere introdotte le necessarie variazioni rispetto a quanto dichiarato in precedenza, al fine di rispettare il programma previsto e riportato nel syllabus.

Si presuppongono conoscenze di meccanica quantistica avanzata, di fisica dello stato solido, e preferibilmente anche di teoria dei sistemi a molti corpi.

Fortemente consigliata.

• Effetti caratteristici e teorie fenomenologiche

Resistenza nulla, effetto Meissner, quantizzazione del flusso - Modello di Gorter-Casimir - Teoria elementare dei London della elettrodinamica dei superconduttori - Teoria di Ginzburg-Landau. Condensazione di Bose-Einstein. Superfluidità.

• Teoria microscopica

Instabilità di Cooper, origine della interazione attrattiva ed “s-wave pairing” - Teoria BCS: Stato fondamentale BCS - Struttura a bande e gap superconduttiva, densità degli stati - Effetti a temperatura finita: temperatura critica - Lunghezza di penetrazione - Connessione con la Teoria di Ginzburg Landau.

• Aspetti fondamentali

Coerenza quantistica macroscopica. Coerenza e Off-Diagonal Long Range Order: laser, superconduttività e superfluidità. Rottura spontanea di simmetria. Indeterminazione fase-numero.

• Tunneling in eterostrutture metalliche

Tunnel elettronico e di quasi particelle - Effetti di charging – Effetto Josephson – Effetto di prossimità e tunneling di Andreev.

• Dispositivi superconduttivi

- Dinamica classica di circuiti Josephson ed effetto Josephson in presenza di un flusso magnetico, Superconducting Quantum Interference Devices (SQUID) - Quantizzazione della fase. Dinamica quantistica di sistemi Josephson - Effetti quantistici secondari. Dispositivi superconduttivi per la computazione quantistica.

M. Tinkham, Introduction to Superconductivity, Dover (2004).

Yuli V. Nazarov and J. Danon, Advanced Quantum Mechanics: a practical guide, Cambridge (2013)

James F. Annet, Superconductivity, superfluids and condensates, Oxford University press (2003)

Steven M. Girvin, Kun Yang, Modern Condensed Matter Physics, Cambridge University Press (2019)

A. O. Caldeira, An introduction to Macroscopic Quantum Phenomena and Quantum Dissipation,

Cambridge University Press (2014)

La verifica dell’apprendimento è affidata ad un esame finale orale che consiste in (a) esposizione di un argomento concordato in anticipo con i docenti; (b) esposizione di un argomento scelto dal candidato al momento dell'esame tra tre argomenti (di diverso grado di difficoltà) proposti dai docenti. Il superamento dell'esame dipende esclusivamente dalla prova (a), mentre la prova (b) concorre a determinare la valutazione finale. A richiesta dello studente, la prova (a) può essere sostituita da un elaborato che comprenda un calcolo analitico o numerico, che lo studente dovrà sviluppare in maniera indipendente ma assistita basandosi sui testi consigliati e su eventuali articoli di rassegna consigliati dai docenti.

- La valutazione è operata tenendo conto di: pertinenza delle risposte rispetto alle domande formulate; livello di comprensione dei contenuti esposti; accuratezza nell'esposizione dei calcoli; capacità di collegamento con altri temi dell'insegnamento o di insegnamenti precedenti, e di riportare esempi; proprietà di linguaggio e chiarezza espositiva.

- La verifica dell’apprendimento potrà essere effettuata anche per via telematica, qualora le condizioni lo dovessero richiedere.

Alcune delle domande più frequenti riguardano: fenomenologia dei materiali superconduttori. Teoria fenomenologica di Ginzburg Landau. Distinzione fra superconduttori del primo e del secondo tipo. Ipotesi alla base del modello BCS. Struttura dello stato fondamentale BCS. Livelli eccitati di un superconduttore. Effetto Josephson. Tunnel elettronico in giunzioni SN, SS. Rottura spontanea di simmetria.