Sono richieste in particolare conoscenze relative al corso di Struttura della materia.

Inizialmente l’insegnamento fornisce conoscenze di base riguardanti:

• le proprietà elettroniche di nanostrutture inorganiche a bassa dimensionalità (2D, 1D e 0D) e nanostrutture organiche basate sul carbonio;
• la fisica che governa il trasporto di carica in nanostrutture 2D, 1D e 0D ed il funzionamento di dispositivi basati su trasporto quantistico e tunneling;
• interazioni ed ordinamenti magnetici nella materia, il magnetismo su scala nanometrica e molecolare, il concetto di magnetoresistenza e la fisica del trasporto di spin.

Successivamente l'insegnamento si focalizza su computazione quantistica e tecnologie quantistiche allo stato solido ed alla sua conclusione i/le partecipanti avranno appreso anche nozioni su:

• computazione quantistica e sue implementazioni fisiche allo stato solido;
• tecnologie quantistiche con superconduttori
• tecnologie quantistiche con quantum dots
• tecnologie quantistiche con nitrogen vacancies (NV), magneti molecolari e magnoni
• Quantum metrology e quantum sensing, inclusi esempi su detector quantistici per la ricerca fondamentale (es. materia oscura) e sensori quantistici per le scienze applicate (es. imaging e diagnostica).

A tal fine, oltre agli aspetti formali, saranno introdotti ed analizzati anche alcuni dei principali risultati/progressi sperimentali nel settore, discutendone la rilevanza scientifica ed il potenziale impatto tecnologico.

In questo modo gli studenti saranno gradualmente introdotti nell’ambito della moderna ricerca nel settore.

Conoscenze e comprensione. Comprendere le proprietà elettroniche delle nanostrutture inorganiche a bassa dimensionalità (2D, 1D e 0D) e delle nanostrutture organiche basate sul carbonio; la fisica che governa il trasporto di carica in nanostrutture 2D, 1D e 0D ed il funzionamento di dispositivi basati su trasporto quantistico e tunneling; le interazioni e gli ordinamenti magnetici nella materia, il magnetismo su scala nanometrica e molecolare, il concetto di magnetoresistenza e la fisica del trasporto di spin; la computazione quantistica e le tecnologie quantistiche, in particolare nelle loro implementazioni fisiche allo stato solido con superconduttori, quantum dots,nitrogen vacancies, magneti molecolari e magnoni e le loro applicazioni in metrologia quantistica e quantum sensing, inclusi detector quantistici per la ricerca fondamentale (es. materia oscura) e sensori quantistici per le scienze applicate (es. imaging e diagnostica).

Capacità di applicare conoscenze e comprensione. Essere in grado di condurre esperimenti avanzati, anche con attrezzature criogeniche, per la caratterizzazione di nuovi materiali e dispositivi ed il test di aspetti teorici studiati e per l'implementazione di tecnologie quantistiche.

Autonomia di giudizio. Migliorare la capacità dello studente di analizzare con spirito critico la moderna ricerca nel settore, gli articoli scientifici e le tecniche sperimentali disponibili/impiegate.

Abilità comunicative. Acquisire una buona padronanza degli argomenti ed esser in grado di presentare una tematica di ricerca attuale in una presentazione orale col supporto di slides.

Capacità di apprendimento. Maturare un approccio metodologico tale da permettere un apprendimento autonomo di nuovi argomenti ed ulteriori approfondimenti/ricerche tramite la letteratura scientifica.

Presentazioni power point multimediali contenenti animazioni ed immagini atte ad illustrare i principali argomenti del corso. Le presentazioni sono fornite agli studenti prima della lezione per permettere loro di prendere eventuali appunti durante la spiegazione in aula.

L’esame consiste in due parti:

1. Progetto o Presentazione individuale
   Ogni studente è tenuto a preparare e presentare un approfondimento su un argomento attinente al corso, da concordare in anticipo con il docente.
   Il lavoro può consistere in:

   • una revisione della letteratura scientifica su un tema rilevante,

   • un’analisi di recenti risultati di ricerca nell’ambito delle tecnologie quantistiche allo stato solido,

   • una proposta progettuale basata sullo stato dell’arte e sulle prospettive aperte nel settore.

2. Colloquio orale
   A completamento della presentazione, lo studente dovrà rispondere a due domande poste dalla commissione:

   • Una domanda sugli argomenti della parte "Fondamenti" del corso (es. materiali quantistici, effetti Hall quantistici, trasporto quantistico);

   • Una domanda sugli argomenti della parte "Approcci ed elementi costitutivi per il calcolo quantistico allo stato solido (es. qubit superconduttori o di spin, materiali topologici, acustodinamica quantistica, quantum sensing).

L’obiettivo dell’esame è verificare la comprensione dei concetti teorici e la capacità di applicarli a tematiche di ricerca attuali nel campo delle scienze e tecnologie quantistiche

Introduzione:

Elettronica e tecnologie allo stato solido per calcolo, memorie, sensing etc.

Architetture alternative per la computazione (DNA computing, QCA, neuromorphic computing, quantum computing)

 

Fondamenti:

PARTE I - Materiali quantistici: ingegnerizzazione di struttura a bande e densità degli stati, confinamento quantistico, nanostrutture a bassa dimensionalità (quantum wells/wires/dots) e materiali 2D (grafene, TMD, etc)

PARTE II – Effetti Hall quantistici: 2D electron gas (2DEG) in campo magnetico, Livelli di Landau, fenomeni oscillatori, effetti de Haas-van Alphen e Shubnikov-de Haas, Effetti Hall quantistici (intero e frazionario), Spin Hall Effect, Effetto Hall Anomalo, stati di bordo, anioni, accoppiamento spin-orbita, isolanti topologici ed applicazioni metrologiche

PARTE III - Trasporto quantistico: trasporto quantistico mesoscopico ed elettronica quantistica, formalismo di Landauer-Buttiker e quantum point contacts, tunneling quantistico, Coulomb blockade e transistor a singolo elettrone, effetto Kondo

 

Approcci e elementi costitutivi per il calcolo quantistico allo stato solido:

PARTE IV: Dalla Superconduttività ai Qubits a superconduttore: Superconduttività, Dispositivi a superconduttore, giunzioni Josephson, SQUID, risonatori e amplificatori a superconduzione, qubit a superconduttore e transmoni, sistemi ibridi

PARTE V: Dalla Spintronica agli Spin-qubit, la magnonica ed architetture quantistiche ibride: Magnetoresistenza con sue tipologie e loro origine fisica, Modello di Julliere, Spin-dependent tunneling e scattering, SP-STM, Dispositivi logici magnetici, Spintronica, onde di spin e magnonica, dai charge-qubit agli spin-qubit, NV and SMM qubit, Magnon-photon coupling e polaritoni magnonici, dispositivi ibridi e circuit QED

PARTE VI: Dai materiali topologici alla computazione quantistica topologica (opzionale)

PARTE VII: Dai materiali piezoelettrici ed i dispositivi SAW all’acustodinamica quantistica: materiali piezoelettrici, dispositivi ad onde acustiche, MEMS, oscillatori nanomeccanici, acustodinamica quantistica

PARTE VIII: Dalla computazione quantistica al quantum sensing

 

Attività in laboratorio scelte tra le seguenti:

Laboratorio di Spintronica, Superconduttività e Magnetismo  / Micro- e Nano-fabbricazione, Misure di Magnetotrasporto, Nanoelettronica, Effetto Hall quantistico, Giunzioni Josephson

Laboratorio di Spintronica, Superconduttività e Magnetismo  / Magnetometria e Tecniche di Caratterizzazione Magnetica, Ferroelettrici e Multiferroici, Magnonica

Laboratorio di Sensoristica  / Sensoristica, Dispositivi SAW, SPR, Microfluidica e lab on a chip

Dispense fornite dal docente e per supporto/approfondimenti:

- Solid State Physics, N. W. Ashcroft, N. D. Mermin

- Quantum semiconductor structures, C.Weisbuch, B.Vinter

- Mesoscopic quantum transport, Markus Büttiker (European School on Nanosciences and Nanotechnologies)

- Magnetic Materials: Fundamentals and applications, N. A. Spaldin