Obiettivi formativi
Il corso si propone di:
- Far apprendere i fondamenti di alcune importanti tecniche sperimentali.
- Far imparare i principi di funzionamento della strumentazione scientifica.
- Far acquisire conoscenze pratiche di importanti tecniche ausiliarie alla Fisica sperimentale (ad es. criogenia, tecniche del vuoto, condizionamento dei segnali elettrici).
- Far maturare una sensibilità sperimentale e promuovere la progettazione autonoma di un esperimento.
- Far sviluppare un senso critico rispetto ai risultati ottenuti, che consenta di analizzare e presentare correttamente i dati sperimentali, con metodologie e strumenti informatici adeguati.
- Insegnare a tenere una buona condotta di laboratorio.
Prerequisiti
Nessuno oltre alle competenze e conoscenze già acquisite nel corso di laurea triennale (elettromagnetismo, ottica geometrica ed ondulatoria classica, meccanica quantistica, fisica della materia condensata).
Contenuti dell'insegnamento
Il corso ha lo scopo di introdurre gli studenti alle tecniche sperimentali di diffrazione di raggi X da polveri, magnetometria e risonanza magnetica nucleare a larga banda, strumenti essenziali per lo studio e la caratterizzazione fisica dei materiali. Il corso è suddiviso in sessioni di laboratorio, che verranno introdotte richiamando i fondamenti alla base delle diverse tecniche. Durante l'attività sperimentale, gli studenti prenderanno dimestichezza con gli strumenti di misura, con cui investigheranno le proprietà di alcuni materiali.
Programma esteso
Il corso si articola nello svolgimento di tre esperimenti: la diffrazione di raggi X da polveri (PXRD), la risonanza magnetica e/o quadrupolare nucleare (NMR/NQR) nella materia magneticamente ordinata e la magnetometria mediante pendolo stazionario, svolti presso i laboratori di ricerca omonimi del Dipartimento di Fisica e Scienze della Terra. 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. Di seguito gli argomenti trattati nel dettaglio:
- Laboratorio di diffrazione di raggi X: teoria cinematica della diffrazione, simmetria nei cristalli, interferenza delle onde diffuse da un cristallo, fattore di struttura, fattore di Debye Waller, sorgenti di raggi X, detectors di raggi X, diffrazione da polveri, correzioni e analisi dei dati di diffrazione, raffinamento Rietveld. L'acquisizione dei diffrattogrammi da polveri sarà effettuata mediante un diffrattometro Bruker D8 Discover, anche in funzione della temperatura e verrà utilizzato software specifico per l'analisi dei dati (GSAS suite).
- Laboratorio di risonanza magnetica nucleare: tecniche sperimentali per il magnetismo, risonanza magnetica nucleare nei materiali magnetici, accoppiamento iperfine, campo cristallino, enhancement, esempi di risonanza magnetica di nuclei con acccoppiamento onsite allo ione magnetico (es. 55Mn nelle managaniti) o trasferito (139La, 19F), lo spettrometro NMR. Verranno eseguite misure di risonanza magnetica nucleare su manganiti in assenza e in presenza di campo magnetico esterno, con utilizzo di tecniche criogeniche.
- Laboratorio di magnetometria: magnetismo nella materia condensata, origine del magnetismo atomico, diamagnetismo, paramagnetismo, stati magneticamente ordinati, tecniche sperimentali di magnetometria. La misura della risposta magnetica di materiali avverrà mediante magnetometro a pendolo stazionario Manics DSM-8.
Bibliografia
- Charles Kittel, "Introduzione alla fisica dello stato solido", Casa editrice ambrosiana
- G. Giacovazzo, H. L. Monaco, D. Viterbo, F. Scordari, G. Gilli, G. Zanotti and M. Catti, "Fundamentals of Crystallography", C. Giacovazzo ed.
- B. E. Warren, "X-ray diffraction", Dover Publications ed.
- C. P. Slichter, "Principles of magnetic resonance", Springer-Verlag ed.
- M. H. Levitt, "Spin Dinamics: basis of magnetic resonance", Wiley and Sons ed.
- K. H. J. Buschow, F. R. De Boer, "Physics of magnetism and magnetic materials", Kluwer Acad. Publ.
- S. Blundell, "Magnetism in condensed matter", Oxford University press.
Metodi didattici
Sessioni sperimentali in laboratorio affiancate dalla presenza assidua del docente, introdotte da alcune lezioni frontali per richiamare i fondamenti delle tecniche.
Durante l'emergenza sanitaria dovuta al Coronavirus sarà possibile che le lezioni siano effettuate: 1) in modalità mista, ovvero con i laboratori e le lezioni in presenza (a gruppi ristretti, con l'uso di adeguati DPI), ma con anche la possibilità, per quanto riguarda le lezioni frontali, della loro fuizione a distanza in modalità sincrona/asincrona; 2) qualora l'emergenza non consenta la modalità in presenza, sia le sessioni di laboratorio, sia quelle frontali saranno fruite a distanza, in modalità sincrona/asincrona. La modalità a distanza avverrà mediante il software Microsoft Teams e il materiale didattico verrà caricato sulla piattaforma Elly.
Modalità verifica apprendimento
La verifica dell'apprendimento ha luogo innanzitutto nelle sessioni di laboratorio.
Al termine di ciascun esperimento svolto e prima di iniziare l'esperimento successivo, lo studente è invitato a presentare una relazione, 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 consistente sulla discussione delle relazioni stesse.
Durante l'emergenza sanitaria dovuta al Coronavirus, il colloquio orale verrà condotto a distanza mediante la piattaforma Microsoft Teams.
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 (ad es. nel caso di studenti-lavoratori) o della misura (ad es. misure lunghe che si protraggono al giorno successivo).
Obiettivi agenda 2030 per lo sviluppo sostenibile
- - -
