B013201 - FISICA DELLA MATERIA

Italiano

Fisica della materia 1
Elementi di fisica atomica e molecolare.
Fisica della materia 2
Teorie di Drude e di Sommerfeld per gas di elettroni liberi. Strutture cristalline, reticolo reciproco. Proprietà dei solidi. Paramagnetismo. Ferromagnetismo ed antiferromagnetismo. Teoria di campo medio per transizioni di fase. Rassegna dei risultati sperimentali nel campo della superconduttività.

- G.M. Tino, “Fisica Atomica-Lezioni all’Università di Firenze”.
- P. Meystre, M. Sargent, “Elements of Quantum Optics”, 1999.
- M.O. Scully, M.S. Zubairy, “Quantum Optics”, 1997.
- C. Cohen-Tannoudji, B. Diu, F. Laloe, “Quantum Mechanics, Vol. II”, 1977.
- H.G. Kuhn, “Atomic Spectra”, 1969.
- A. Corney, “Atomic and Laser Spectroscopy”, 1977.
- W. Demtroeder, “Laser Spectroscopy”, 1996.
- M. Inguscio, G.M. Tino, “Fisica atomica: tecniche recenti di raffreddamento laser”, in Enciclopedia delle Scienze Fisiche, 1995.
- G.M. Tino, M. Inguscio, “Experiments on Bose-Einstein condensation”, Rivista Nuovo Cimento, 1999.
- C. Cohen-Tannoudji, D. Guéry-Odelin, "Advances in Atomic Physics: An Overview", World Scientific, 2011.

Conoscenze acquisite:
Fondamenti di fisica atomica, molecolare e dei cristalli.
Gas quantistici. Reticoli cristallini. Fononi. Bande elettroniche. Proprietà magnetiche della materia.
Competenze acquisite:
Conoscenza delle principali caratteristiche degli atomi, delle molecole e dei cristalli.
Calcolo del calore specifico dovuto a bosoni e fermioni. Determinazione dei parametri dei potenziali di interazione. Calcolo di curve di dispersione fononica e della struttura elettronica a bande in casi molto semplici. Calcolo di semplici proprietà magnetiche.
Capacità acquisite al termine del corso:
Determinazione dello stato fondamentale e delle eccitazioni elementari nei solidi. Proprietà termiche della materia

12 CFU
Attività in aula: 104 ore

Orario di Ricevimento studenti

prof. Guglielmo Tino
tel. 055 4572034
e-mail: <guglielmo.tino@unifi.it>

A.Rettori – Mercoledì 11:00-13:00
Può essere soggetto a variazioni ogni anno accademico.

Esame orale

Fisica della materia 1:
1. Introduzione al corso: temi della fisica atomica contemporanea.

2. Struttura e spettri atomici.
2.1 Atomo di idrogeno.
2.1.1 Richiami sul modello di Bohr e equazione di Schroedinger.
2.1.2 Effetti relativistici e struttura fine.
2.1.3 Lamb shift e effetti di QED.
2.2 Effetti del nucleo: struttura iperfine e shift isotopico.
2.2.1 Struttura iperfine.
2.2.2 Shift isotopico.
2.3 Interazione con campi magnetici e elettrici statici.
2.3.1 Effetto Zeeman.
2.3.2 Effetto Stark.
2.4 Atomi a più elettroni.
2.4.1 Approssimazione di campo centrale.
2.4.2 Correzioni alla approssimazione di campo centrale e schemi di accoppiamento tra momenti angolari.
2.4.3 Struttura degli atomi a più elettroni e sistema periodico.
2.4.4 Equazioni di Hartree e Hartree-Fock.

3. Interazione degli atomi con la radiazione elettromagnetica.
3.1 Interazione atomo-radiazione e regole di selezione per le transizioni.
3.1.1 Interazione di dipolo elettrico.
3.1.2 Interazione di dipolo magnetico e di quadrupolo elettrico.
3.1.3 Regole di selezione per le transizioni.
3.1.4 Componenti Zeeman e polarizzazione della radiazione.
3.1.5 Esperimento di doppia risonanza di Brossel-Bitter.
3.2 Interazione di un atomo a due livelli con radiazione e.m. monocromatica.
3.2.1 Modello semiclassico.
3.2.2 Fenomeni di rilassamento.
3.2.3 Soluzione esatta.
3.3 Shift luminoso dei livelli e stati vestiti.
3.3.1 Stati vestiti nel formalismo di seconda quantizzazione.
3.3.2 Esempi e applicazioni.
3.4 La matrice densità.
3.4.1 Caso puro (funzione d'onda nota).
3.4.2 Caso misto.
3.4.3 Soluzione col metodo perturbativo.
3.4.4 Matrice di popolazione.
3.5 Modello vettoriale e equazioni di Bloch ottiche.
3.5.1 Equazioni di Bloch ottiche.
3.5.2 Impulsi pi e pi/2, inversione adiabatica, photon echo, schema di Ramsey.
3.6 Polarizzazione di un mezzo e coefficiente di assorbimento.
3.6.1 Polarizzazione in un sistema a due livelli con allargamento omogeneo e rate equations.
3.6.2 Polarizzazione in un sistema a due livelli con allargamento inomogeneo.
3.7 Transizioni a più fotoni.
3.8 Fenomeni di ottica non lineare.
3.9 Elementi di teoria dei laser.
3.10 Effetti di interferenza quantistica in un atomo a tre livelli.
3.10.1 Dark states.
3.10.2 Laser senza inversione.
3.10.3 Elettromagnetically induced trasparency (EIT).

4. Spettroscopia atomica con radiazione laser.
4.1 Introduzione.
4.2 Tecniche spettroscopiche tradizionali.
4.3 Sorgenti e rivelatori di radiazione.
4.3.1 Nuovi metodi di rivelazione.
4.4 Tecniche di spettroscopia non lineare.
4.5 Spettroscopia ad alta risoluzione.
4.5.1 Meccanismi di allargamento delle righe spettrali.
4.5.2 Spettroscopia di saturazione.
4.5.3 Spettroscopia di polarizzazione.
4.5.4 Spettroscopia a due fotoni.


5. Raffreddamento e intrappolamento di atomi.
5.1 Raffreddamento di atomi con luce laser.
5.1.1 Rallentamento di un fascio atomico.
5.1.2 Melasse atomiche.
5.1.3 Raffreddamento al di sotto del rinculo di un singolo fotone.
5.2 Intrappolamento di atomi neutri.
5.2.1 Trappola magneto-ottica.
5.2.2 La trappola dipolare.
5.2.3 Intrappolamento magnetico.
5.3 Raffreddamento evaporativo degli atomi intrappolati.


6 Ricerca attuale in fisica atomica e applicazioni.
6.1 Esperimenti con atomi raffreddati.
6.1.1 Condensazione di Bose-Einstein.
6.1.2 Spettroscopia di precisione.
6.1.3 Collisioni tra atomi ultrafreddi.
6.1.4 Ottica atomica.
6.2 Orologi atomici.
6.2.1 Orologi al cesio.
6.2.2 Orologi atomici ottici.
6.2.3 Prospettive.
6.3 Interferometria atomica.
6.3.1 Introduzione.
6.3.2 Schemi.
6.3.3 Esperimenti.

7. Fisica Molecolare
7.1
Separazione di Born-Oppenheimer.
Legame molecolare in H2: valence bond method (Heitler-London).
Moti nucleari.
7.2
Spettro rotazionale e vibrazionale di una molecola biatomica.
Regole di selezione per transizioni rotazionali e vibrazionali.
Molecole più complesse: CO2 (modi normali di vibrazione, cenni).
Molecole più complesse: NH3 (spettro di inversione, cenni).
Fisica della materia 2:
Teorie di Drude e di Sommerfeld per gas di elettroni liberi. Strutture cristalline, reticolo reciproco e metodi sperimentali di indagine. Potenziali di interazione nei solidi. Teorema di Bloch. Le vibrazioni nei solidi. Proprietà termiche dei solidi. Cenni alla struttura a bande degli elettroni nei solidi. Teorie quantistiche del paramagnetismo. Ferromagnetismo ed antiferromagnetismo. Teoria di campo medio per le transizioni di fase. Rassegna dei risultati sperimentali nel campo della superconduttività.