Proff. Gabriele Ferrini, Claudio Giannetti

. – Elettronica quantistica
PROFF. GABRIELE FERRINI, CLAUDIO GIANNETTI
OBIETTIVO DEL CORSO
L’obiettivo del corso è di fornire le conoscenze di base della interazione
radiazione-materia. Le conoscenze acquisite permetteranno di affrontare e
discutere i fenomeni e principi fisici alla base del funzionamento di strumenti e
dispositivi di grande impatto tecnologico nel campo dell’optoelettronica. In
particolare, verranno approfondite la fisica dei laser e dell’interazione coerente tra
radiazione e sistemi atomici.
Il corso sarà diviso in due parti complementari. Nella prima parte il problema
dell’interazione radiazione-materia verrà affrontato utilizzando un approccio semiclassico. Nella seconda parte, saranno introdotti gli strumenti per affrontare la
seconda quantizzazione del campo elettromagnetico e comprendere la natura
quantistica di molti dei fenomeni introdotti precedentemente.
PROGRAMMA DEL CORSO
Prima parte (Prof. Gabriele Ferrini )
-Il sistema a due livelli interagente con un’onda e.m.
-Le equazioni di Bloch ottiche (R. P. Feynman, F. L. Vernon, R. W. Hellwarth, J.
Appl. Phys. 28, 49 (1957))
- Le conseguenze delle eq. di Bloch. La frequenza di Rabi, l’approssimazione ad
onda rotante, polarizzazione e inversione di popolazione, la nutazione ottica, il
decadimento libero dell'induzione (free induction decay), l’eco di fotoni.
- La riposta ottica lineare, la densità di polarizzazione macroscopica, la densità di
inversione di popolazione, la dispersione, l’assorbimento e l’allargamento di
potenza (effetto Stark dinamico o power broadening).
- Transizioni con allargamento omogeneo e inomogeneo, la intensità di
saturazione, hole burning.
-Amplificazione ad onda viaggiante, interazione incoerente (limite adiabatico)
(Frantz and Nodvik, J. App. Phys. 24, 2346 (1963)).
-Amplificazione della luce per emissione stimolata (laser). Equazioni di bilancio
(rate equations) per la cavità e il sistema atomico. Sistemi a tre e quattro livelli.
Esempi di sistemi laser.
Seconda parte (Prof. Claudio Giannetti)
- Fondamenti di elettrodinamica: le equazioni di Maxwell, il potenziale vettore, il
vettore di Poynting, la funzione dielettrica e le relazioni di Kramers-Kronig.
- I modelli di Lorentz e Drude per la funzione dielettrica. Plasmoni. Metamateriali.
- Il corpo nero: il concetto statistico di fotoni e il limite quantistico di bassa
densità.
- L’oscillatore armonico quantistico, operatori di creazione e distruzione, stato a
numero di occupazione definito, stati coerenti e limite classico.
- Quantizzazione del campo elettromagnetico. Potenziale vettore nel gauge di
Coulomb.
- Campo nel vuoto e condizioni al contorno. Strategia per la quantizzazione del
campo elettromagnetico.
- Quantizzazione del campo e concetto di fotone.
- Operatori numero, energia e campo elettrico. Il campo di punto zero e l’effetto
Casimir.
- Stati coerenti e limite classico
- Interazione radiazione-materia e approssimazione di dipolo. Approssimazione
semiclassica. Trattazione quantistica: emissione spontanea e stimolata.
- Interazione radiazione e sistema di N particelle. Matrice densità e Master
Equations.
- Propagazione di fasci gaussiani e cavità risonanti.
- Cavità risonante con mezzo attivo. Esempi di laser. Mode-locking e impulsi
ultracorti.
BIBLIOGRAFIA
B. E. A. SALEH - M. C. TEICH, Fundamentals of Photonics, Wiley-Interscience, 2007.
E. ROSENCHER - B. VINTER, Optoelectronics, Cambridge University Press, 2002.
A. YARIV, Quantum Electronics, John Wiley & Sons, 1989.
R. LOUDON, The Quantum Theory of Light, Oxford University Press, 1973.
O. SVELTO & D.C. HANNA, Principle of Lasers, Springer 1998.
DIDATTICA DEL CORSO
Lezioni in aula, appunti distribuiti in classe e seminari specialistici di approfondimento
tenuti da altri docenti. Le esercitazioni trattano aspetti specifici della teoria svolta a lezione,
svolgendo esempi e commenti. E’ incoraggiata la partecipazione attiva alle lezioni in forma
di domande e discussioni di gruppo. Alla fine del corso, sarà richiesto agli studenti di
effettuare una presentazione su un argomento a piacere, concordato con il Docente. Tutte le
presentazioni degli studenti verranno effettuate in un’unica giornata in modo da stimolare
l’interazione e la partecipazione degli studenti stessi.
I prerequisiti necessari per la comprensione della materia trattata sono i corsi di
Elettromagnetismo ed Ottica.
METODO DI VALUTAZIONE
L'esame prevede la presentazione di una relazione scritta e il superamento di una prova
orale. La relazione scritta consisterà in una ricerca o approfondimento su un argomento del
corso che è di particolare interesse per lo studente. La valutazione della prova scritta terrà
conto della qualità ed efficacia della presentazione degli argomenti e soprattutto del grado di
rielaborazione personale dello studente.
Avvertenze generali
La prova orale intende accertare il grado di assimilazione dei concetti illustrati
nell’insegnamento. Lo studente deve essere in grado di discutere domande tecniche o
problemi posti dagli esaminatori sia oralmente sia scrivendo equazioni e disegni sulla
lavagna. Le domande verteranno su alcuni punti del programma, con eventuali riferimenti a
prerequisiti o connessioni tra parti dello stesso. La valutazione della prova orale terrà conto
della profondità della conoscenza dello studente e la sua capacità di risolvere problemi.
Particolare importanza sarà data al grado di rielaborazione personale dei concetti da parte
del candidato.
AVVERTENZE
Il Prof. Ferrini riceve gli studenti dopo le lezioni in aula o per appuntamento.
Il Prof. Giannetti riceve alla fine di ogni lezione press il proprio studio. Il Prof. Giannetti
è sempre raggiungibile via mail ([email protected]) o telefono per qualsiasi
chiarimento e/o domanda.