Course information | Quantum Electronics

Course Syllabus

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Obiettivi

Il corso si propone di fornire le nozioni fondamentali sulla progettazione e fabbricazione di nanostrutture mediante fotoni, fasci di elettroni e autoassemblaggio. Verranno studiati gli stati elettronici di materiali e dispositivi attraverso la discussione delle loro architetture e misure delle proprietà ottiche, elettroniche e magnetiche al fine di comprendere le potenziali applicazioni dei materiali quantistici nelle tecnologie quantistiche.

Contenuti sintetici

• Introduzione: Elettronica per le moderne tecnologie quantistiche
• Trasporto quantistico in strutture a bassa dimensionalità
• Spintronica
• Metodi per la generazione e la manipolazione della radiazione ottica coerente e delle microonde
• Metodi di nanofabbricazione tramite fotoni, elettroni e autoassemblaggio
• Funzionalità emergenti: magnetismo topologico

Programma esteso

INTRODUZIONE
• Dispositivi elettronici per le moderne tecnologie quantistiche. Panoramica dei prerequisiti del corso, contenuti delle lezioni, libri di testo/letteratura e metodi di valutazione.

PROGETTAZIONE E FABBRICAZIONE DI NANOSTRUTTURE
• Introduzione alla litografia;
• Tecniche litografiche ottiche e ultraviolette.
• Litografia a fascio di elettroni (EBL) e fascio ionico focalizzato (FIB).
• Breve panoramica delle principali tecniche di deposizione di film sottili.

TRASPORTO QUANTISTICO
• Scale di lunghezze e regimi di trasporto degli elettroni.
• Trasporto quantistico in sistemi zero, mono e bidimensionali.
• Blocco Coulombiano e di spin di Pauli. Punti di contatto quantistici. Transistore a singolo elettrone ed effetto Hall quantistico.
• Conduttori multiterminali e formula di Buttiker-Landauer.
• Spin in pochi punti quantici elettronici. Rilevamento della carica. Conversione spin-carica e lettura del singolo elettrone.

METODI PER LA GENERAZIONE E LA MANIPOLAZIONE DI RADIAZIONE OTTICA COERENTE E MICROONDE
• Principio dell'emissione laser e della generazione di brevi impulsi.
• Risonatori ottici, guide d'onda e circuiti integrati.
• Emettitori e maser a microonde; Cavità a radiofrequenza.

DISPOSITIVI E APPLICAZIONI IN SPINTRONICA
• Teoria del trasporto di spin in multistrati magnetici e architetture di dispositivi per misure di trasporto.
• Magnetoresistenza gigante, magnetoresistenza anisotropa, magnetoresistenza tunneling ed effetti Hall dipendenti dallo spin.
• Metodi di risonanza magnetica ottica ed elettrica per l'iniezione, la manipolazione e la rilevazione dello spin degli elettroni.
• Funzionalità dei dispositivi spintronici: conversione spin-carica, iniezione spin, coppia di trasferimento spin, manipolazione di spin e lettura di spin.
• Transistori e amplificatori di spin, filtri di spin, MRAM con giunzioni tunnel magnetiche, qubit di spin molecolari e qubit di spin in nanostrutture di semiconduttori.

FUNZIONALITÀ EMERGENTI: MAGNETISMO TOPOLOGICO
• Topologia nella materia condensata e conduzione chirale.
• Effetti magnetoelettrici topologici e spintronica topologica.
• Domini magnetici e skyrmioni di tipo Néel e di tipo Bloch.

Prerequisiti

Corsi sui concetti di base della meccanica quantistica, della fisica dei semiconduttori e della fisica dello stato solido (o equivalenti).

Modalità didattica

28 lezioni da 2 ore in presenza, Didattica Erogativa
Le lezioni teoriche frontali e di esercitazione saranno svolte con l'ausilio di presentazioni e/o lavagna.

Materiale didattico

Datta S. (2013) Electronic transport in mesoscopic systems, Cambridge University Press
Zheng Cui (2008), Nanofabrication - Principles, Capabilities and Limits, Springer New York, NY.
T. Shinjo (2009), Nanomagnetism and Spintronics, Elsevier
J. Stöhr and H.C. Siegmann (2006) Magnetism: from fundamentals to nanoscale dynamics. Springer, Berlin
Orazio Svelto (2007), Principle of Lasers (Fourth Edition), Springer, Berlin

Ulteriori riferimenti verranno forniti durante le lezioni. Le presentazioni saranno messe a disposizione degli studenti attraverso la presente piattaforma e-learning.

Periodo di erogazione dell'insegnamento

Primo semestre ( da settembre a gennaio)

Modalità di verifica del profitto e valutazione

Le conoscenze degli studenti verranno valutate attraverso una prova orale incentrata sugli argomenti trattati durante il corso con presentazione di analisi quantitative, equazioni, grafici e schemi.
La competenza e i criteri di valutazione si baseranno sulle conoscenze e sulle capacità comunicative acquisite nell'ambito degli argomenti studiati. Non sono previste prove parziali.

Orario di ricevimento

Dal lunedì al venerdì in qualsiasi orario di lavoro (è opportuno concordare appuntamento con il docente tramite email).

Sustainable Development Goals

ISTRUZIONE DI QUALITÁ | IMPRESE, INNOVAZIONE E INFRASTRUTTURE

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Aims

The course aims to provide the fundamental notions on the design and fabrication of nanostructures by photons, electron beams and self-assembly. The electronic states of materials and devices will be studied through the discussion of their architectures and measurements of the optical, electronic and magnetic properties in order to understand the potential applications of quantum materials in quantum technologies.

• Introduction: Electronics for modern quantum technologies
• Quantum transport in low dimensional structures
• Spintronics
• Methods for the generation and manipulation of coherent optical radiation and microwaves
• Nanofabrication methods by photons, electrons, and by self-assembly
• Emergent functionalities: topological magnetism

Detailed program

INTRODUCTION
• Electronic devices for the modern quantum technologies. Overview of course pre-requisite, lecture contents, textbooks/literature, and assessment methods.

DESIGN AND FABRICATION OF NANOSTRUCTURES
• Introduction to lithography;
• Optical and Ultraviolet Lithographic techniques.
• Electron beam lithography (EBL) and Focused Ion Beam (FIB).
• Brief overview of the main thin film deposition techniques.

QUANTUM TRANSPORT
• Lenght scales and electron transport regimes.
• Quantum transport in zero, one and two dimensional systems.
• Coulomb and Pauli spin blockade. Quantum point contact. Single electron transistor and Quantum Hall effect.
• Multiterminal conductors and Buttiker-Landauer formula.
• Spins in a few electron quantum dots. Charge sensing. Spin-to-charge conversion and single electron read out.

METHODS FOR THE GENERATION AND MANIPULATION OF COHERENT OPTICAL RADIATION AND MICROWAVES
• Principle of laser emission and short pulse generation.
• Optical resonators, waveguides, and integrated circuits,.
• Microwave emitters and masers; Radio-Frequency cavities.

SPINTRONICS DEVICES AND APPLICATIONS
• Theory of spin transport in magnetic multilayers and device architectures for transport measurements.
• Giant magnetoresistance, anisotropic magnetoresistance, tunneling magnetoresistance and spin-dependent Hall effects.
• Optical and electrical magnetic resonance methods for electron spin injection, manipulation and detection.
• Functionalities of spintronic devices: spin–charge conversion, spin injection, spin tranfer torque, spin manipulation and spin read-out.
• Spin transistors and amplifiers, spin filters, MRAM with magnetic tunnelling junctions, molecular spin qubits and spin-qubits in semiconductor nanostructures.

EMERGENT FUNCTIONALITIES: TOPOLOGICAL MAGNETISM
• Topology in condensed matter and chiral conduction.
• Topological magnetoelectric effects and topological spintronics.
• Néel-type and Bloch-type magnetic domains and skyrmions.

Prerequisites

Basic concept of quantum mechanics, physics of semiconductor, and solid state physics courses (or equivalent).

Teaching form

28 two hour lectures , in person, Delivered Didactics.
Frontal lectures and exercise sessions using slides and/or blackboard.

Textbook and teaching resource

Datta S. (2013) Electronic transport in mesoscopic systems, Cambridge University Press
Zheng Cui (2008), Nanofabrication - Principles, Capabilities and Limits, Springer New York, NY.
T. Shinjo (2009), Nanomagnetism and Spintronics, Elsevier
J. Stöhr and H.C. Siegmann (2006) Magnetism: from fundamentals to nanoscale dynamics. Springer, Berlin
Orazio Svelto (2007), Principle of Lasers (Fourth Edition), Springer, Berlin

Additional references will be given during the lectures. Slides will be made available to the students through the present e-learning platform.

Semester

First semester (from September to January)

Assessment method

Students’ knowledge will be evaluated through an oral exam focusing on the topics discussed during the course with presentation of quantitative analyses, equations, graphs, and schemes.
The competence and evaluation criteria will be based on the knowledge and the communication skills gained in the context of the topics studied. There will not be available partial examinations.