Obiettivi formativi
Il corso si prefigge un certo numero di obiettivi, sia specifici alle tecniche sperimentali e ai temi di Fisica della Materia affrontati che di carattere generale. Se ne sottolinea la corrispondenza ai Descrittori di Dublino (DD).
Tra gli obiettivi specifici sono compresi
1) apprendere i fondamenti di alcune importanti tecniche sperimentali (DD: knowledge and understanding);
2) acquisire conoscenze pratiche di importanti tecniche ausiliarie alla Fisica sperimentale (ad esempio: criogenia, tecnologia del vuoto, condizionamento dei segnali elettrici);
3) approfondire da un punto di vista sperimentale talune delle tematiche trattate nei corsi introduttivi alla Fisica dello Stato Solido (DD: applying knowledge and understanding), eventualmente integrando le conoscenze fornite da tali corsi con lo studio autonomo di materiale fornito dal docente, sia pure sotto la sua supervisione (DD: learning skills).
Al di là dei contenuti specifici, le finalità del corso si riassumono nel promuovere il maturare di una sensibilità sperimentale nello studente. Quest'ultima si concretizza in
1) imparare a progettare e ad allestire autonomamente gli esperimenti;
2) comprendere i principi di funzionamento della strumentazione scientifica;
3) sviluppare un senso critico rispetto ai risultati ottenuti (DD: making judgements), riconoscendone i limiti di confidenza e imparando ad es. individuare le cause di possibili errori sistematici, o a riconoscere eventuali malfunzionamenti delle apparecchiature;
4) analizzare e presentare correttamente i dati sperimentali (DD: applying knowledge and understanding), con metodologie e strumenti informatici adeguati;
5) tenere una buona condotta di laboratorio.
Prerequisiti
Nessuno oltre alle competenze e conoscenze già acquisite nel corso di laurea triennale
Contenuti dell'insegnamento
Il corso si articola nello svolgimento di due cicli di esperimenti a scelta su tre, aventi per oggetto alcune tecniche spettroscopiche di grande rilevanza nella fisica sperimentale della materia condensata: la diffrazione di raggi X (XRD), la risonanza magnetica e/o quadrupolare nucleare (NMR/NQR) allo stato solido, la risonanza paramagnetica elettronica (EPR). Gli esperimenti di XRD ed NMR vengono condotti presso gli omonimi laboratori di ricerca del Dipartimento di Fisica e Scienze della Terra, mentre per la EPR ci si avvale dello spettrometro in onda continua presente nei laboratori didattici. L'impiego di tali tecniche nell'ambito del corso è focalizzato sullo studio di precisi fenomeni fisici: la magnetizzazione spontanea di un ferro- o ferrimagnete (NMR), le transizioni strutturali nei solidi (XRD e/o NQR), le interazioni iperfini (EPR). La frequenza dei laboratori è preceduta da brevi cicli di lezioni frontali introduttive, in cui vengono fornite agli studenti le basi di conoscenze necessarie e sono illustrati i principi di funzionamento della strumentazione impiegata.
Programma esteso
Gli esperimenti verteranno presumibilmente sul seguente programma.
1) NMR. Studio del parametro d'ordine magnetico in composti ferromagnetici (FM) o ferrimagnetici (FIM) mediante le sonde nucleari presenti nel materiale. Si prevede di studiare, ad esempio, la manganiti di lantanio drogata con stronzio La(1-x)Sr(x)MnO3 (FM), dove possono essere sfruttate le risonanze di 55Mn e 139La; e la magnetite drogata con manganese Fe(3-x)Mn(x)O4 (FIM), mediante 55Mn e 57Fe. Questi materiali si prestano particolarmente allo studio tra 77 e 300K in virtù del segnale molto (55Mn) o comunque sufficientemente (139La, 57Fe) intenso grazie al cosiddetto enhancement e temperature di Curie ben sopra la temperatura ambiente. Lo studente, dopo avere preparato il campione, la sonda (tank circuit) ed allestito il sistema criogenico, dovrà registrare gli spettri di risonanza nucleare nel campo iperfine spontaneo a varie temperature, analizzarli e ricavarne le frequenze di risonanza media in funzione della temperatura, proporzionali al momento magnetico locale. Lo studente sarà chiamato a confrontare i risultati ottenuti dalle diverse sonde nucleari e a discuterne eventuali discrepanze.
2) EPR. Studio del g-factor anisotropo di ioni Cr3+ o Cu2+ in cristalli singoli, mediante la registrazione di spettri di risonanza a varie orientazioni degli assi del cristallo rispetto al campo magnetico. Risoluzione della struttura iperfine e determinazione della costante di accoppiamento ad es. in sali di Mn2+. Studio dell'effetto della diluizione e/o dell'interazione di scambio sulla larghezza di riga.
3) XRD. Acquisizione di spettri di polvere a temperatura ambiente mediante un diffrattometro Bruker, raffinamento della struttura e dei parametri reticolari per mezzo di software dedicati (es., programma Fullprof). Studio di una transizione strutturale avente luogo appena sopra o appena sotto la temperatura ambiente, mediante la registrazione e il raffinamento di diffrattogrammi in funzione della temperatura.
Bibliografia
Charles Kittel, "Introduzione alla fisica dello stato solido", Casa editrice
ambrosiana
D. Preston E. Dietz, "The art of experimental physics", John Wiley &
Sons
Articoli di ricerca originali e di rassegna pubblicati su riviste scientifiche internazionali.
Metodi didattici
Il corso è aperto da alcune lezioni frontali introduttive, volte a offrire il bagaglio teorico e tecnico-strumentale essenziale alla comprensione degli esperimenti. Successivamente, lo studente è condotto a svolgere, in gruppo con altri uno-due compagni, due esperimenti di laboratorio a scelta su tre esperienze proposti, per un impegno medio previsto di 7-8 sessioni (4 ore ciascuna) per esperimento. Dato l'impiego di grandi strumenti (spettrometri NMR e EPR, diffrattometro XRD), è verosimile supporre la stretta supervisione del docente nella fase iniziale dell'esperimento. Nel corso degli stessi, lo studente è comunque stimolato a sviluppare una autonomia crescente nell'allestimento e conduzione della misura, nell'uso della strumentazione e nell'analisi dei risultati ottenuti.
Modalità verifica apprendimento
La verifica dell'apprendimento ha luogo innanzitutto nelle sessioni di laboratorio, grazie alla presenza assidua del docente. Al termine di ciascun esperimento svolto e prima di iniziare l'esperimento successivo, lo studente è tenuto a presentare una relazione su di esso, in cui sono presentanti in modo chiaro, conciso e completo l'obiettivo dell'esperimento, la fisica rilevante per la comprensione dello stesso, la strumentazione impiegata, i dati sperimentali adeguatamente analizzati, e le conclusioni. L'esame consiste in un colloquio vertente sulla discussione delle relazioni stesse.
Altre informazioni
Compatibilmente con la disponibilità dei laboratori ospitanti, è indicativamente concessa agli studenti la possibilità di effettuare o continuare gli esperimenti anche in orari diversi da quelli previsti, per esigenze specifiche dello studente (es. nel caso di studenti-lavoratori) o della misura (es. misure lunghe che si protraggono al giorno successivo).
Obiettivi agenda 2030 per lo sviluppo sostenibile
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