D1. Conoscenza e capacità di comprensione: Il corso ha l’obiettivo di introdurre gli studenti ai concetti fondamentali della fisica della materia condensata, fornendo le basi teoriche per comprendere le proprietà microscopiche della materia.
D2. Conoscenza e capacità di comprensione applicate: I concetti della meccanica quantistica, appresi in forma astratta, verranno applicati allo studio di sistemi fisici reali come atomi, molecole e solidi, con particolare attenzione al collegamento tra teoria e fenomenologia.
D3. Autonomia di giudizio: Il corso offrirà una panoramica delle principali approssimazioni e strategie impiegate nello studio della materia condensata, fornendo agli studenti gli strumenti concettuali per valutarne la validità sulla base di considerazioni fisiche e sviluppare un’intuizione critica sui modelli utilizzati.
D4. Abilità comunicative: Gli studenti acquisiranno gli strumenti analitici di base per descrivere e comunicare in modo chiaro e rigoroso l’origine microscopica delle proprietà macroscopiche della materia, utilizzando un linguaggio scientifico appropriato.
D5. Capacità di apprendimento: Il corso fornirà una visione d’insieme della fisica della materia e le basi metodologiche necessarie per intraprendere lo studio di tematiche più avanzate in questo campo.

Sono necessarie delle buone basi di meccanica quantistica ed elettrodinamica.

Il corso si svolgerà secondo le seguenti linee guida: dopo un’introduzione con richiami di meccanica quantistica, si "costruirà" la materia andando a descrivere sistemi fisici di complessità via via crescente. Partendo da una revisione di atomi idrogenoidi (a singoli elettroni) si costruiranno le basi per trattare atomi a molti elettroni. Con essi si costruirà il legame chimico che verrà introdotto e discusso prima per molecole semplici (diatomiche) e poi per sistemi più molecolari più complessi.
Nella seconda parte del corso, si introdurranno i concetti necessari alla descrizione della materia condensata, con nozioni introduttive riguardo alle sue proprietà elettroniche e strutturali.

Prima parte: H. Haken, H.C. Wolf, Atomic and Quantum Physics. B.H.Brandsen, C.J. Joachain, Physics of atoms and molecules" (Prentice Hall). Seconda Parte: S. Simon, The Oxford Solid State Basics (Oxford University Press). Per approfondimenti: C. Kittel, Introduction to solid state physics (Wiley) N. Ashcroft, D. Mermin, Solid-State Physics (Harcourt)

Prima Parte.
Introduzione agli esperimenti fondanti della fisica atomica e molecolare, della tavola periodica degli elementi e dei primi modelli per l’atomo di Idrogeno. Si procederà poi alla strutturazione di un formalismo per la fisica atomica e molecolare nel modo seguente. Dopo alcuni richiami di meccanica quantistica, in sistemi unidimensionali, oscillatore armonico e gli stati coerenti verranno discussi l’operatore momento angolare ed i suoi autostati, le armoniche sferiche, gli operatori di spin e momento angolare totale che verranno utilizzati per la costruzione di autostati ed autofunzioni dell’atomo di idrogeno. Discuteremo la struttura fine ed iperfine dei livelli energetici dell’atomo di idrogeno introducendo perturbativamente le correzioni relativistiche (spin orbita). Interazione tra un campo elettrico e atomi ad elettrone singolo, assorbimento ed emissione. Le regole di selezione. La quantizzazione del campo elettromagnetico e lo shift di Lamb.
Si richiamerà il concetto di particelle indistinguibili in meccanica quantistica per ricavare le proprietà statistiche di fermioni e bosoni, per poi ricavare gli autostati di atomi a due elettroni nel limite di particelle indipendenti descritti utilizzando le funzioni d’onda di spin per due elettroni e gli stati di singoletto e tripletto. Particelle interagenti, screening, rimozione della degenerazione, integrale e “forza” di scambio. Atomi a molti elettroni in potenziale centrale, determinante di Slater. Principio di esclusione di Pauli, gas di elettroni e metodo di Hartree-Fock. Accoppiamento LS e JJ per i momenti angolari e notazione dei termini.
La fisica molecolare, molecole diatomiche e ione molecolare H2+. Molecola di H2 neutra. Orbitali leganti, non leganti ed anti-leganti. L’approssimazione di Born-Hoppenheimer, molecole diatomiche ed origine del legame chimico, legame ionico e covalente. Metodo LCAO per orbitali atomici. Eccitazioni vibrazionali in sistemi atomici.
Seconda Parte
La struttura cristallina: reticoli cristallini, cella primitiva e reticolo reciproco.
Diffrazione dei raggi X, elettroni e neutroni: condizioni di diffrazione, legge di Bragg e relazioni con la struttura cristallina.
Il legame nei solidi cristallini: principali tipi di legame (ionico, covalente, metallico, di van der Waals) e loro impatto sulle proprietà dei materiali.
Le vibrazioni reticolari: fononi, densità degli stati fononici e loro ruolo nelle proprietà termiche dei solidi (calore specifico, conduzione termica).
Il modello di Drude per la conduzione elettrica e il trasporto elettronico nei metalli.
Elettroni nei solidi: gas di elettroni liberi e comportamento in presenza di potenziali periodici. Funzioni di Bloch e formazione della struttura a bande elettroniche. Approccio tight-binding e ad elettroni-quasi liberi.
Proprietà elettroniche dei solidi: conducibilità elettrica, conducibilità termica.

Lezioni frontali di teoria alternate a esercitazioni dedicate alla risoluzione di problemi, finalizzate al consolidamento dell’apprendimento.

Esame scritto finale composto sia da esercizi numerici e applicativi che da e domande teoriche sugli argomenti trattati durante il corso, con eventuale integrazione orale. Il punteggio di ogni esercizio dell'esame scritto concorre a formare il punteggio finale. Durata massima: 2 ore e 30 minuti. Le modalità di svolgimento della prova vengono illustrate dai docenti agli studenti durante la presentazione del corso nella prima lezione. Il voto finale sarà espresso in trentesimi. Una valutazione sufficiente (18/30) sarà attribuita a studenti che dimostrino una conoscenza di base dei principali argomenti del corso e del relativo linguaggio tecnico, nonché una capacità limitata ma adeguata di applicare le conoscenze teoriche a contesti pratici. La valutazione massima (30 e lode) sarà conferita a studenti che dimostrino un’eccellente conoscenza degli argomenti, padronanza del linguaggio tecnico, ottime capacità analitiche e la capacità di applicare in modo brillante le conoscenze teoriche a situazioni concrete.