. – 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.