Fisica della Materia Soffice FIS/03

Laurea Magistrale in Fisica
Curriculum:
Nanotecnologie, Fisica della Materia e
dell'Ambiente
Quadro riassuntivo dei corsi:
CARATTERIZZANTI
01 - 07 Laboratorio di Elettronica
02 - 08 Fisica statistica (anche per il curriculum A)
Fisica teorica della materia (anche per il curriculum A)
03 - 04 Laboratorio di Fisica della Materia e Nanosistemi
Fisica dello stato solido
Fisica dei semiconduttori
AFFINI E INTEGRATIVI
Percorso di Nanotecnologie
- Dispositivi e Nanotecnologie Molecolari
- Nanoelettronica
- Nanofotonica
- Crescita e Nanofabbricazione
Percorso di Fisica della materia
- Fisica della Materia Soffice
- Fisica dei Laser
- Fisica Molecolare
- Tecniche Spettroscopiche
Percorso di Fisica biomedica e ambientale
- Biofisica
- Fisica medica e radioprotezione
- Tecniche di imaging per la diagnostica medica
- Tecnologie ottiche per l'ambiente
Scansione Temporale
I anno
I semestre
II semestre
Fisica Teorica della Materia
Laboratorio di Fisica della
Materia e dei Nanosistemi
Fisica Statistica
Fisica dei Semiconduttori
Fisica dello stato solido
Crescita e Nanofabbricazione
Fisica Molecolare
Biofisica
Laboratorio di Elettronica
Corso a scelta
II anno
I semestre
II semestre
Nanoelettronica
Dispositivi e Nanotecnologie Molecolari
Nanofotonica
Tecniche Spettroscopiche
Fisica della Materia Soffice
Fisica dei Laser
Fisica medica e radioprotezione
Tecniche di imaging per la diagnostica medica
Tecnologie ottiche per l'ambiente
Corso a scelta
Legenda Colori:
Corsi Caratterizzanti
Corsi Affini per Nanotecnologie,
Corsi Affini per Fisica della Materia,
Corsi Affini per Fisica Applicata
Tesi di laurea
Corsi Caratterizzanti
Fisica Teorica della Materia FIS/02
G.P. Co (?)
Metodo variazionale; Teoria di Hartree-Fock; Teoria del funzionale densità e sua approssimazione a densità
locale.Rappresentazione dei numeri di occupazione. Perturbazioni dipendenti dal tempo. Funzioni di Green ad un
corpo. Sviluppo perturbativo dell'equazione di Dyson. Funzioni di Green a due corpi. Risposta lineare e teoria
Random Phase Approximation.
Fisica Statistica FIS/02
B. Konopeltchenko (?)
•
Introduzione alla meccanica statistica di non-equilibrio;
•
Teorema di fluttuazione-dissipazione.
•
Equazione differenziale di Chapman-Kolmogorov.
•
Moto Browniano.
•
Modello di Ising.
Fisica dello Stato Solido FIS/03
Cecilia Pennetta (?)
•
Approssimazione adiabatica di Born-Oppenheimer: separazione del problema elettronico e ruolo
dei termini non adiabtici.
• Le strutture cristalline: generalità sulle proprietà di simmetria dei cristalli, reticoli di Bravais in due e
tre dimensioni. Gruppo puntuale del cristallo, gruppo delle traslazioni, classificazione degli stati
elettronici. Esempi di strutture cristalline.
• Il reticolo reciproco: definizione e proprietà; zone di Brillouin. Esempi di reticoli reciproci e di zone
di Brillouin per reticoli cubici, sc, bcc, fcc.
• Diffrazione nei cristalli: diffrazione nei reticoli, legge di Laue, legge di Bragg, fattore di struttura e
fattori di forma atomici, diffrazione di raggi X, diffrazione di neutroni.
• Vibrazioni reticolari: teoria classica in approssimazione armonica: cristallo unidimensionale
monoatomico e biatomico, cristallo tridimensionale, modi normali. Quantizzazione dei modi normali
di vibrazione, fononi.
• Proprietà di equilibrio dei solidi: calore specifico vibrazionale: modello di Einstein e modello di
Debye. Densità degli stati, punti critici di Van Hove. Calore specifico elettronico.
• Stati elettronici: Modello di Drude e modello di Sommerfeld.
• Stati elettronici in un potenziale periodico: l’approssimazione a bande, teorema di Bloch,
momento cristallino, bande di energia, diversi schemi a bande. Principali metodi di calcolo delle
bande elettroniche: metodo tight-binding, metodo delle onde piane ortogonalizzate, metodo degli
pseudopotenziali, metodo cellulare e APW, metodo edelle funzioni di Green. Strutture a bande
caratteristiche delle diverse classi di materiali.
• Proprietà dinamiche di elettroni e buche: moto classico degli elettroni in campi esterni velocità e
massa efficace. Buche elettroniche. Condizioni di validità dell’approssimazione classica. Studio delle
superfici di Fermi nei metalli.
• Proprietà dielettriche dei solidi: il modello di Thomas-Fermi, teoria di Lindhard, etc.
• Proprietà di trasporto di elettroni e fononi: equazione di Boltzmann per la funzione di
distribuzione. Conducibilità elettrica. Conducibilità termica degli elettroni. Effetti termo-elettrici.
Conducibilità termica vibrazionale.
• Proprietà ottiche dei cristalli: teoria macroscopica.Relazioni di dispersione di Kramers-Kronig.
Proprietà ottiche dei metalli. Teoria quantistica delle funzioni elettromagnetiche. Transizioni dirette e
indirette. Eccitoni. Polaritoni.
• Difetti puntuali ed estesi: definizioni ed influenza sulle proprietà di trasporto elettronico. Diffusione
di difetti.
• Proprietà magnetiche dei solidi: diamagnetismo,
paramagnetismo,
ferromagnetismo,
antiferromagnetismo
• Superconduttività: fenomenologia generale della superconduttività, superconduttori del 1° e del 2°
tipo, cenni sulla spiegazione teorica della superconduttività nei superconduttori del 1° tipo, cenni
sulle giunzioni Josephson.
• Solidi disordinati: proprietà generali, esempi delle diverse tipologie.
Testi di riferimento
F. Bassani e U. Grassano, Fisica dello Stato Solido, Bollati Boringhieri, Torino (2000).
N. W. Ashcroft e N. D. Mermin, Solid State Physics, Holt-Saunders Int. Ed., Philadelphia (1981).
C. Kittel, Introduction to Solid State Physics, John Wiley & Sons, New York (1976).
G. Grosso e G. Pastori Parravici, Solid State Physics, Academic Press, san Diego (2000).
Fisica dei Semiconduttori FIS/03
Ross Rinaldi (?)
•
•
•
•
•
•
•
•
Struttura a Bande di Semiconduttori
Leghe di semiconduttori
Semiconduttori Amorfi
Trasporto nei semiconduttori
Ricombinazione nei semiconduttori
Eterostrutture
Nanostrutture (cenni ?).
Applicazioni : dispositivi ottici ed elettronici a semiconduttori
Laboratorio di Elettronica FIS/07
Massimo Di Giulio (?)
•
•
•
•
•
•
•
•
Sistemi di acquisizione ed elaborazione analogici e digitali: elementi costitutivi – schema a
blocchi – confronto tra i due tipi di sistemi - funzioni di amplificazione e filtro - Esempio di trasduttore
– impedenza interna del trasduttore.
Amplificatori operazionali: concetto di interfaccia e impedenza di ingresso e uscita – amplificatore
operazionale, proprietà e configurazioni - amplificatore non invertente – amplificatore invertente –
amplificatore differenziale –circuiti lineari: amplificatore di corrente - inseguitore di tensione amplificatore sommatore, integratore, derivatore, comparatore – loro utilizzo nell’acquisizione di
misure.
Generalità sui convertitori digitale/analogico (D/A): parametri caratteristici - convertitori D/A a
resistenze pesate, a reti a scala, a struttura segmentata.
Generalità sui convertitori analogico/digitali (A/D): parametri caratteristici – convertitore A/D di tipo
parallelo, a singola rampa, a doppia rampa - convertitore A/D a conteggio.
Circuiti Sample & hold, schemi e caratteristiche.
Trasduttori: descrizione dei diversi tipi: resistivi, capacitivi, induttivi, LVDT, RVDT, LVT, Trasduttori
di temperatura (RTD, termocoppia, diodo a giunzione).
Trasduttori fotoelettrici (fotoresistivi, fotovoltaici, fotodiodi, fototransistor (cenno)), piezoelettrici.
Altri rivelatori di luce: tubo fotomoltiplicatore.
Esperienze in laboratorio sui circuiti con amplificatori operazionali.
Esperienze in laboratorio con trasduttori di temperatura e di luce
Esperienza sul fotomoltiplicatore.
Possibili altri argomenti sperimentali di interesse generale e relative esperienze
Laboratorio di Fisica della Materia e dei Nanosistemi FIS/03
Maurizio Martino (?)
PARTE I
Tecnologia e applicazioni del Vuoto
• canalizzazioni e conduttanze,
• schema di un sistema da vuoto
• pompe
• vacuometri
• spettromeria di massa
PARTE II
Tecniche di caratterizzazione:
• Rutherford Backscattering Spectrometry,
• Secondary Ion Mass Spectrometry,
• X-ray Photoelectron Spectroscopy
• Auger Electron Spectroscopy,
• XRD,
• tecniche nucleari
• SEM e EDS,
• TEM
• Spettroscopie vibrazionali
PARTE III
Microscopia a Scansione di Sonda:
• Atomic Force Microscopy,
• Scanning Tunnel Microscopy,
• Scanning Near-field Optical Microscopy
PARTE IV
Strumentazione:
• Amplificatore lock-in
_____________________________________________________________
Esperienze di laboratorio
a)
b)
c)
d)
e)
f)
Deposizione di un film sottile (vuoto e PLD)
Analisi del film mediante SEM, TEM, FIB (CNR-IMM)
Analisi del film mediante AFM (Laboratorio L3)
litografia ottica (clean room NNL)
misura dell’energy gap di semiconduttori (Laboratori didattici)
esperienza con amplificatore lock-in
più eventuali esperienze concordate con i docenti dell percorso curriculare
Percorso di Nanotecnologie
Crescita e nanofabbricazione FIS/03
Anna Paola Caricato (?)
Dal materiale bulk al nano-materiale :
• richiami.
Chimica – fisica delle superfici :
• energia superficiale, tensione superficiale e bagnabilità
Tecniche di nanofabbricazione
• Bottom up: metodi di sintesi da fase liquida e vapore (Formazione spontanea di nanostrutture
autorganizzate sulla superficie di un solido/cristallo; uso di template sul substrato per indurre
autoorganizzazione; soluzioni sature, nucleazione e crescita di nanoparticelle, raggio critico, Ostwald
ripening)
Tecniche di nanofabbricazione
• Top down: etching ,
lift off,
litografia soft, litografia SPM
litografia ottica,
litografia elettronica,
litografia X e ion beam ,
Tecnologie per la fabbricazione di film sottili:
• crescita epitassiale ed etero epitassiale (Frak-van der Merwe, Volmer-Weber and StranskiKrastanow); alcuni limiti di miniaturizzazione; principali metodi fisici e chimici per la deposizione di
film sottili: MBE, MO-MBE, sputtering, PLAD, MAPLE, ALD.
Nanofotonica FIS/03
Marco Mazzeo FIS/01 (?)
Scopo del corso
Il corso esplorerà i fondamenti dei fenomeni inerenti l’interazione luce-materia e il funzionamento di
dispositivi basati su teorie classiche e quantistiche della radiazione e della materia su scale submicrometriche e nanometriche. Lo scopo è pertanto quello di formare lo studente in un campo in cui
applicare le proprie conoscenze teoriche di base ed avanzate (dall’elettromagnetismo classico alla
elettrodinamica quantistica) ad aspetti tecnologici (telecomunicazioni, sensing, optoelettronica) rilevanti per
l’industria e per la ricerca fondamentale e applicata. Il corso è pertanto strutturato in modo tale da fornire allo
studente un’ampia conoscenza da tematiche classiche come la propagazione delle onde elttromagnetiche e
l’interazione radiazione materia in regimi standard di accoppiamento fino ai risultati più recenti nel campo
della ricerca come il teletrasporto quantistico e i computer quantistici o i regimi di interazione radiazione
materia ad elevato grado di accoppiamento. Il programma si strutturerà in tre parti.
Prima parte: Fotonica classica
1) Onde elettromagnetiche: equazioni di Maxwell ed equazione d’onda, onde elettromagnetiche nel
vuoto, in mezzi isotropi e anisotropi, cristalli birifrangenti. Scattering alla Mie da particelle dielettriche.
2) Onde elettromagnetiche confinate: guide d’onda e cavità, modi, costanti di propagazione,
distribuzione del campo, velocità di gruppo. Fibre ottiche, equazione caratteristica, cutoff e numero
di modi, fibre a grande V, fibre a singolo modo e multimodali.
3) Cristalli fotonici: Cristalli fotonici 1D: Distributed Bragg Reflectors (DBR), Distributed Feedback
Resonators (DFB), Cristalli fotonici 2D.
4) Propagazione di onde elettromagnetiche in plasmi: frequenza di plasma. Plasmoni e plasmoni di
superficie. Scattering alla Mie da particelle metalliche. Plasmoni localizzati.
5) Utilizzo di software di elettrodinamica classica: Transfer matrix
Seconda parte: Fotonica quantistica: teoria ed esperimenti chiave
1) I postulati della MQ: Formalismo di Dirac, postulati della meccanica quantistica, stati quantici,
operatori hermitiani, equazione di Shroedinger.
2) Sistemi a due stati: esperimenti di fotoni in cristalli bririfrangenti, molecola di Ammoniaca, stati
stazionari, il MASER e il LASER.
3) Interazione radiazione materia: visione semiclassica e regola d’oro di Fermi
Terza parte: Fotonica quantistica: applicazioni
1) Cenni di elettrodinamica quantistica (QED): Modelli di Hopfield, Rotating Wave Approximation.
2) Regime di weak e strong coupling: Effetto Purcell, applicazioni in dispositive elettroluminescenti
ad alta efficienza, cavità a specchi metallici e dielettrici. Nanocavità. Wishpering gallery modes,
oscillazioni di Rabi e polaritoni, nanocavità. QED in microcavità, effetto Casimir, fotoni virtuali,
energy gap polaritonica.
3) Dispositivi fotonici classici e di nuova generazione: LED, Laser a semiconduttore, Laser senza
soglia, VCSEL, sorgenti a singolo fotone. Recenti sviluppi nei laser a semiconduttore: il laser
polaritonico.
4) Entanglement quantistico di sistemi a due stati: fotoni polarizzati, disuguaglianze di Bell. Il
principio di località e realismo di Einstein, Disuguaglianze di Bell, località e realismo quantistico, gli
esperimenti di Alain Aspect, teletrasporto quantistico di stati fotonici.
Quantum otpical computing: Trappole ioniche ed entanglement di quantum dots, Computer quantistici a
cavità risonanti, algoritmo di Shor, porte logiche quantistiche ottiche.
Nanoelettronica FIS/03
Giuseppe Maruccio FIS/01 (?)
Nanoelettronica
L’insegnamento fornisce agli studenti conoscenze riguardanti la differenza tra la fisica (classica) su scala
macroscopica e quella su scala nanometrica, in cui i fenomeni quantistici rivestono particolare importanza. A
conclusione di questo insegnamento gli studenti avranno appreso:
•
le diverse proprietà elettroniche delle nanostrutture inorganiche a bassa dimensionalità (2D, 1D e
0D) e delle nanostrutture organiche basate sul carbonio;
•
la peculiare fisica che governa il trasporto di carica in nanostrutture 2D, 1D e 0D, nel grafene e
nei nanotubi di carbonio;
•
il funzionamento di dispositivi mesoscopici basati su trasporto quantistico e tunneling dei portatori;
•
la differenza tra le proprietà magnetiche su scala macroscopica e nanometrica (nanoparticelle
magnetiche e magneti molecolari) e l’esistenza di nuove classi di materiali magnetici “esotici”;
•
il concetto di magnetoresistenza e la fisica del trasporto di spin.
A tal fine, oltre agli aspetti formali, saranno analizzati anche i principali risultati sperimentali a supporto e
saranno discusse le potenziali applicazioni dei singoli fenomeni fisici e delle varie nanostrutture. In questo
modo gli studenti saranno gradualmente introdotti nell’ambito della moderna ricerca in fisica dello stato
solido, nanoscienze e nanotecnologie, quale ad esempio l’implementazione di sistemi materiali e protocolli
per la computazione quantistica.
Programma
I. Proprietà elettroniche dei nanomateriali.
- Fisica delle nanostrutture inorganiche: Ingegnerizzazione di struttura a bande e densità degli stati,
confinamento quantistico, quantum wells/wires/dots.
- Fisica dei nanosistemi organici, in particolare nanostrutture di carbonio e grafene.
II. Trasporto di carica ed applicazioni in nanoelettronica.
- Effetto Hall Quantistico: 2D electron gas (2DEG) in campo magnetico, Livelli di Landau, effetti Hall
quantistici (intero e frazionario), Spin Hall Effect, Effetto Hall Anomalo ed isolanti topologici.
- Trasporto quantistico mesoscopico: Regimi di trasporto, formalismo di Landauer-Buttiker, Quantum point
contacts, Elettronica quantistica ed esempi di dispositivi mesoscopici.
- Tunneling: Microscopia a scansione e spettroscopia ad effetto tunnel, Coulomb blockade e Transistor a
singolo elettrone.
III. Nanomagnetismo e spintronica.
- Magnetismo quantistico e alla nanoscala: Termini magnetici nelle Hamiltoniane, Interazione spin-orbita
nello stato solido, Interazioni di scambio ed ordinamenti magnetici, Modello di Heisenberg, Magnetismo di
banda, Superparamagnetismo, Tunneling quantistico della Magnetizzazione, Semiconduttori ed isolanti
magnetici, Materiali multiferroici.
- Magnetoresistenza e spintronica: tipologie e loro origine fisica, Modello di Julliere, Spin-dependent
tunneling e scattering, SP-STM, Dispositivi logici magnetici, Nanospintronica e Spintronica molecolare.
IV. Cenni su dispositivi a superconduttore.
V. Nanotecnologie per computazione quantistica.
- Cenni di teoria dell’informazione quantistica, Teletrasporto quantistico, Computazione quantistica con
sistemi allo stato solido (vari approcci con few electron QDs, superconducting qubits, circuit QED).
Dispositivi e nanotecnologie molecolari FIS/03
Giuseppe Gigli (?)
Introduzione
• basi meccanica quantistica, introduzione alla meccanica quantistica, dualismo onda particella,
quantizzazione delle radiazione elettromagnetica struttura elettronica semiconduttori, semiconduttori
organici: molecole e polimeri, transizioni elettroniche e concetto di eccitone transizioni radiative e
non radiative in semiconduttori organici, fenomeni di trasporto in semiconduttori organici,
dispositivi laser
• laser a semiconduttore, strutture a tre ed a quattro livelli,introduzione al laser organico e possibili
approcci di implementazione, laser a cavità verticale, laser a feedback distribuito, laser a cristallo
fotonico, tecniche di fabbricazione di dispositivi e di nanostrutture
dispositvi OLED
• introduzione alla fisica degli OLED, stato dell’arte della tecnologia e roadmap tecnologica, tecniche
di fabbricazione e caratterizzazione di dispositivi ad emissione di luce, OLED multistrato ad
emissione monocromatica per applicazioni AM display a bassa ed alta luminanza, OLED ad
emissione bianca per applicazioni nell’illuminazione, OLED a microcavità monocromatici e ad
emissione di luce bianca
dipositivi OLET
• introduzione alla fisica degli OLETs, fenomeni di trasporto e ricombinazione radiativa, stato dell’arte
della tecnologia e roadmap tecnologica, dielettrici ed implementazione del gate dielectrics per
minimizzare i fenomeni di quenching radiativo, OLETs polimerici, OLETs multistrato molecolari a
eterogiunzione, OLETs multistrato ad eterogiunzione con strati di trasporto drogati tramite doping
molecolare controllato, tecniche di fabbricazione dei dispositivi e micro/nano fabbricazione degli
elettrodi
celle solari OPV
• introduzione alla fisica delle Celle OPV, celle doppio strato, celle a eterogiunzione bulk, tecniche di
fabbricazione
celle solari ibride
• introduzione alla chimico-fisica dei nanocristalli colloidali di semiconduttore, introduzione alla fisica
delle solari ibride, celle a doppio stato, celle a eterogiunzione bulk
• tecniche di fabbricazione
celle solari DSSC
• introduzione alle celle DSSC, processi di funzionamento, celle DSSC liquide, celle DSSC stato
solido, tecniche di fabbricazione, celle fotovoltacromiche, realizzazione di smart panels polifunzionali
per la building integration
Laboratorio
• laser organici: fabbricazione e caratterizzazione di laser organici in laboratorio
• dispositivi OLED: fabbricazione e caratterizzazione di OLED in laboratorio
• dispositivi OLETs: fabbricazione e caratterizzazione di OLETs in laboratorio
• celle OPV: fabbricazione e caratterizzazione di celle OPV in laboratorio
• celle HOPV: fabbricazione e caratterizzazione di celle HOPV in laboratorio
• celle DSSC: fabbricazione e caratterizzazione di celle DSSC e smart panels in laboratorio
Percorso di Fisica della Materia
FISICA DEI LASER FIS/03
M. R. Perrone (?)
•
•
Emissione spontanea, stimolata ed assorbimento: l’idea laser. Caratteristiche della radiazione laser:
monocromaticità, coerenza, direzionalitàe brillanza. Cavità di corpo nero e modi di una cavità
rettangolare. Processi che determinano l’allargamento di riga: allargamento omogeneo e non
omogeneo. Saturazione di assorbimento e guadagno.
Tecnica matriciale. Depositi multistrato dielettrici. Interferometro di Fabry-Perot. Ottica diffrattiva
nell’approssimazione di raggi parassiali. Fasci Gaussiani e la legge ABCD. Modi di alto ordine.
Risonatori ottici passivi e condizione di stabilità. Risonatori instabili. Cenni sulle tecniche di
pompaggio. Laser in continua. Q-switching. Laser a gas, a stato solido ed a semiconduttore.
Testo Consigliato: O. Svelto, Priciples of Lasers, 4th Edition, Plenum Press, New York,1998.
Fisica Molecolare FIS/03
Alessio Perrone (?)
Il corso si propone di presentare le principali proprietà fisiche e chimiche delle specie molecolari in fase
gassosa. In particolare, saranno studiati gli spettri rotazionali e roto-vibrazionali delle molecole biatomiche e
le relative tecniche diagnostiche che permettono di ricavare i principali parametri molecolari (distanza
internucleare, abbondanze isotopiche, energia di dissociazione e di ionizzazione…). Saranno anche studiati
spettri Raman rotazionali e roto-vibrazionali. In laboratorio saranno registrati ed analizzati spettri di massa di
miscele gassose contenenti molecole biatomiche e poliatomiche.
Fisica della Materia Soffice FIS/03
Dario Pisignano (?)
1. Proprietà fisico-chimiche dei sistemi molecolari e polimerici, fenomenologia di transizione vetrosa, legge
Vogel-Fulcher-Tamman, fragilità termodinamica e cinetica, modelli del volume libero e di Adam-Gibbs.
Fenomeni diffusivi nei sistemi amorfi, molecolari e biologici. Permeabilità transmembrana, rapporto di
distribuzione. Esempi di transizioni di fase non convenzionali. Condensazione di Bose-Einstein in sistemi
atomici e molecolari.
2. Viscoelasticità. Esempi sulle proprietà dei materiali viscoelastici e relazioni stress-strain. Compliance J e
suo comportamento temporale. Regione di flusso terminale. Problematiche di miniaturizzazione e
litografiche sui sistemi molecolari.
3. Superfici e Fluidi. Bagnabilità superficiale, bagnabilità su superfici nanostrutturate, approcci chimici e
fisici per il controllo della bagnabilità. Meccanica dei fluidi Newtoniani. Cenni ai liquidi non-newtoniani.
Microfluidica e nanofluidica, fenomeni ed equazioni della capillarità, dispositivi microfluidici.
Elettrocinetica dei fluidi ed elettroforesi. Sistemi colloidali.
4. Applicazioni dei materiali molecolari. Strutture vibroniche e allargamento spettrale. Spettroscopia
dielettrica. Materiali organici piezoelettrici. Piroelettricità. Esempi di dispositivi. Problematiche e tecniche
sperimentali legate alla riduzione del rumore.
5. Applicazioni dei materiali biomolecolari. Applicazioni dei materiali molecolari alle biotecnologie,
polymerase chain reaction, microdialisi, ingegneria tissutale, fenomeni e parametri fisici alla base della
progettazione di tessuti bioartificiali. Neurobiofisica. Bio-energy harvesting.
Tecniche di spettroscopia FIS/01
Marco Anni (?)
•
Assorbimento ed emissione di luce: assorbimento ed emissione, transizioni di dipolo elettrico,
probabilità di transizione e tempo di vita degli stati elettronici.
• Analisi spettrale della luce: filtri e polarizzatori, Spettrografi e monocromatori (a prisma e a
reticolo), interferometri, confronto tra i vari strumenti.
• Rivelazione della radiazione elettromagnetica: fotodiodo, fotomoltiplicatore, array di detector.
• Sorgenti di radiazione e di eccitazione: sorgenti incoerenti, emissione stimolata, proprietà
fondamentali di un laser (condizioni di soglia e rate equations), caratteristiche spettrali della
radiazione laser.
• Spettroscopia in continua visibile e NIR: descrizione quantistica dell’assorbimento e
dell’emissione, assorbimento da stati estesi nei semiconduttori e da stati localizzati.
Fotoluminescenza in continua e fotoluminescenza di eccitazione.
• Spettroscopia risolta nel tempo: generazione di impulsi ultraveloci, rivelazione di fenomeni
ultraveloci (pump probe, streak camera, time correlated photon counting).
• Spettroscopia risolta spazialmente: micro fotoluminescenza, spettroscopia confocale, microscopia
in campo prossimo, spettroscopia a scansione di sonda.
• Sviluppi recenti delle tecniche di spettroscopia: spettroscopia da singolo emettitore, risoluzione
temporale di oscillazioni coerenti della funzione d’onda, pump and probe confocale.
• Libri consigliati:
Demtroder ,“Laser Spectroscopy Basic Concepts and Instrumentation”, Springer.
Kuzmany, “Solid state spectroscopy: an introduction”, Springer.
Percorso di Fisica Applicata
Fisica Medica e Radioprotezione FIS/07
Castellano (?)
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•
Interazioni radiazione direttamente ed indirettamente ionizzante con la materia.
Fisica e tecnica della tomografia computerizzata.
La Risonanza magnetica nucleare per l'imaging in medicina.
Principi di ecografia.
Elementi di dosimetria esterna ed interna.
Sistema di limitazione delle dosi secondo ICRP -- Normativa italiana.
Fisica e tecnica della strumentazione per radioprotezione.
Tecniche Ottiche per l’ambiente FIS/07
De Tomasi FIS/03 (?)
Gli argomenti contrassegnati da * possono essere oggetto di esercitazioni di laboratorio e/o di calcolo; gli
argomenti sono “modulabili” per tenere conto sia delle esigenze di studio e ricerca degli studenti che della
loro preparazione di base.
1) Generalita' sull'atmosfera:
Composizione, Strati dell'atmosfera, Misure con radiosonde (*), Lo strato
limite, Componenti variabili dell'atmosfera
2) Generalita' sugli aerosol atmosferici: origine, composizione, dimensioni e morfologia, descrizione statistica
3) Processo di diffusione (scattering) di onde e.m. da molecole e aerosol: scattering elastico da molecole,
diffusione anelastica da molecole, scattering elastico da sfere, cenni a scattering da particelle non
sferiche, Scattering da una popolazione di aerosol
4) Propagazione di onde elettromagnetiche in atmosfera: Assorbimento, scattering ed estinzione,
Equazione del trasporto radiativo in atmosfera
5) La rivelazione di radiazione E.M: (*) (NB: già in Tecniche Spettroscopiche e in Laboratorio di Elettronica)
• sistemi per la discriminazione in lunghezza d'onda (spettrometri a reticolo,
interferometro di Fabry-Perot, filtri interferenziali, specchi dicroici)
• fotomoltiplicatori (rivelazione in corrente, conteggio di fotoni, comportamento lineare e
non lineare)
• fotodiodi (caratteristiche, rapporto Segnale/rumore, sistemi " a valanga")
• rivelazione di transienti
6) Richiami sui laser (*)
7) Strumentazione ottica per la rivelazione e l'analisi locale del particolato e parametri atmosferici (*):
nefelometri (sistemi per misure locali di diffusione ed estinzione), contatori ottici di particelle, spettrometri
dimensionali
8) Le tecniche "attive" per la rivelazione di molecole e particelle:
• Differential Optical Absorption Spectroscopy (DOAS),
• LIght Detection And Ranging (LIDAR)(Equazione lidar elastica e anelastica, Stima dei coefficienti di
scattering con un lidar elastico (*), Misura dell'estinzione con un lidar anelastico (*), Rivelazione di
molecole con lidar anelastico (*), Misura del coefficiente di backscattering con sistemi combinati
elastici-anelastici (*), Effetto della polarizzazione: misura delle deviazioni dalla sfericita', sistemi a
piu' lunghezze d'onda (*), sistemi basati su assorbimento differenziale per la rivelazione di molecole,
sistemi ad alta risoluzione spettrale, sistemi per la misura di profili verticali di vento)
9) Tecniche passive per la rivelazione di molecole e particelle: i radiometri solari
• Fotometri solari basati al suolo. (*):
Descrizione e funzionamento, Cenni agli algoritmi per
l'inversione dei dati, radiometri della rete AERONET, Uso pratico delle reti di misurazione
• Fotometri solari su satellite: Descrizione e funzionamento, Cenni agli algoritmi per l'inversione dei
dati, Uso pratico dei dati disponibili (*)
10) Il problema dell'inversione dei dati: L'analisi dei problemi "malposti", Algoritmi di regolarizzazione,
Esempi: l'inversione dei dati AERONET e dei sistemi lidar a molte lunghezze d'onda: ricostruzione dei
parametri microfisici degli aerosol dalle caratteristiche ottiche.
Biofisica FIS/07
C. Pennetta FIS/03 (?)
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Il corso introduce lo studente ai principi e metodi della biofisica a livello molecolare, cellulare e dei
sistemi integrati. Partendo dagli aspetti strutturali, molecolari e cellulari, si discuteranno alcuni dei
principali meccanismi energetici, dinamici, termodinamici e statistici dei sistemi biologici, quali:
composizione e organizzazione interna delle cellule,
struttura e funzioni delle proteine,
replicazione, danno, riparazione del DNA, trascrizione e traduzione dell’informazione genetica,
Nozioni di tecnologia del DNA e mappatura genetica, la tecnica PCR e sue applicazioni.
La fisica delle membrane, compreso i vari processi di trasporto trans-membrana,
la tecnica del patch-clamp per lo studio dei canali ionici,
i concetti di potenziale a riposo e potenziale d’azione, l’equazione di Goldman, Hodgkin e Katz,
genesi e propagazione del potenziale d’azione.
Modello di Hodgkin-Huxley, altre nozioni di neurobiofisica ed elementi della fisiologia muscolare e
del sistema cardiovascolare.
Campi nei dielettrici e nei mezzi biologici. Misura delle proprietà dei materiali biologici. Fenomeni di
bioluminescenza.
Tecniche di Imaging per la Diagnostica Medica FIS/07
De Nunzio (?)
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MATLAB
o
Introduzione a MATLAB
o
MATLAB per il trattamento delle immagini
Tecniche fisiche di diagnostica medica per immagini
o
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CT, MRI, US, PET
Visualizzazione e “lettura” delle immagini diagnostiche
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Formati dicom e analyze; visualizzatori radiologici
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Esempi: immagine toracica e neuroimmagine di glioma
Operazioni sulle immagini
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Operazioni nel dominio dello spazio e delle frequenze (FFT, DWT)
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Trasformazioni lineari e non lineari
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Coregistrazione tra immagini
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Segmentazione e volumetria
Sistemi di Computer-Assisted Detection (CAD)
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Schema di un CAD
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Classificatori (reti neurali, SVM, …)
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Accuratezza di un test diagnostico
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Esempio: CAD per il glioma
Esercitazioni in MATLAB sugli argomenti del Corso