UNIVERSITA' di CATANIA
CORSO DI LAUREA IN FISICA
Programma di Fisica dello Stato Solido (A.A. 2012/2013)
Prof. Giuseppe FARACI
Scopi, argomenti e struttura del corso: Obiettivo del corso è quello di fornire gli strumenti
conoscitivi atti a comprendere le proprietà di un solido. Vengono presentate e discusse le
esperienze ed i risultati ottenuti in vari campi della fisica dei solidi, ed introdotti i modelli che
descrivono le diverse proprietà della materia condensata. La analisi delle strutture cristalline e dei
diversi tipi di legame, le proprietà vibrazionali, termiche, elettroniche, dielettriche, ottiche e
magnetiche dei solidi cristallini verranno studiate dedicando particolare cura alla valutazione
quantitativa dei fenomeni in esame.
Il corso consiste in lezioni svolte secondo i calendari prefissati.
Corsi propedeutici o consigliati: e' necessaria la conoscenza di base della meccanica quantistica;
e' consigliabile sostenere l'esame dopo quello di Struttura della Materia.
Modalità di esame: L'esame consiste in un colloquio con il candidato.
►Proprieta' elementari dei solidi
Struttura e simmetrie di solidi cristallini. Reticolo e base. Strutture cristalline. Amorfi. Vetri.
Clusters. Diffrazione di raggi X, elettroni e neutroni. Reticolo reciproco. Zone di Brillouin. Analisi
di Fourier. Fattore di struttura e fattore di forma. Fattore di Debye-Waller. Spettroscopia XAS ed
EXAFS con luce di sincrotrone.
►Legami nei solidi
Legame di Van der Waals, ionico, covalente e metallico. Legame idrogeno. Energia di coesione.
Energia di ionizzazione. Solidi ad alta pressione. Transizioni di fase.
►Proprieta' termiche dei cristalli
Vibrazioni reticolari. Fononi. Calori specifici. Modello di Einstein e modello di Debye. Capacita'
termica di vetri ed amorfi. Interazione anarmonica. Conducibilità termica. Difetti.
Scattering fotone-fonone. Effetto Raman. Processo Stokes ed anti-Stokes.
►Proprieta' degli elettroni in un "Gas di Fermi"
Modello ad elettroni liberi. Statistica di Fermi-Dirac. Densità degli stati. Proprietà termiche e di
trasporto nei metalli. Conducibilità elettrica
►Bande di energia.
Elettroni quasi-liberi. Livelli energetici. Teorema di Bloch. Zone di Brillouin. Bande di energia e
loro forma. Relazioni di dispersione E(k). Banda di conduzione e bande di valenza. Densità degli
stati. Massa efficace. Orbitali in una banda. Metalli, semiconduttori ed isolanti.
►Superficie di Fermi
Calcolo delle bande di energia e metodi sperimentali per la determinazione della superficie di
Fermi. Quantizzazione delle orbite elettroniche in campo magnetico. Effetto de Haas - Van Alphen.
►Proprieta' ottiche dei solidi
Equazioni di Maxwell nella materia. Relazioni di Kramers-Kronig. Funzione dielettrica del gas di
elettroni. Schermaggio elettrostatico. Plasmoni. Polaritoni. Polaroni. Eccitoni
► Fisica delle superfici ed interfacce.
Struttura, legami, stati superficiali. Interfacce metallo-semiconduttore e semiconduttoresemiconduttore. Eterogiunzioni. Tecniche di analisi su superfici "pulite". Spettroscopia di
fotoemissione con luce di sincrotrone.
►Proprieta' magnetiche dei solidi
Dia- para- e ferro-magnetismo. Teorie classiche e quantistiche per lo studio delle proprietà
magnetiche dei solidi. Demagnetizzazione adiabatica. Domini ferromagnetici. Legge di CurieWeiss. Antiferromagnetismo. Temperatura di Neel.
►Superconduttività
Fenomeni sperimentali: effetto Meissner; gap superconduttiva; effetto isotopico. Lunghezza di
coerenza e profondità di penetrazione. Equazione di London. Teoria BCS. Tunneling di particella
singola. Tunneling di coppie. Effetto Josephson dc e ac. Magnetometri.
► Sistemi quantistici: Super-reticoli. Quantum wells. Quantum wires. Quantum dots. Effetto
Raman da nano cristalli.
Bibliografia
N. W. Ashcroft, N.D. Mermin: Solid State Physics - Saunders College
C. Kittel: Introduction to Solid State Physics - J. Wiley
G. Burns: Solid State Physics - Academic press
J. M. Ziman: Principles of the theory of solids - Cambridge
H. Lűth : Surfaces and interfaces of solid materials - Springer
--Articoli recentemente pubblicati in Riviste di Fisica verranno segnalati durante il corso.
