Course Syllabus
Obiettivi
Sviluppo di competenze sperimentali relative alla fisica dello stato solido e alle tecnologie quantistiche mediante tecniche di laboratorio avanzate basate principalmente sulle proprietà di magnetoresistenza, di risonanza di spin elettronico o di superconduttività in dispositivi quantistici criogenici.
Conoscenza e comprensione
Gli studenti acquisiranno conoscenze nel campo delle tecnologie quantistiche e in particolare delle correlazioni tra proprietà fisiche dei solidi, effetti di quantizzazione e metodologie sperimentali.
Conoscenza e comprensione applicate
Competenze nelle tecniche di caratterizzazione dei materiali e nei metodi per la realizzazione di dispositivi per la sensoristica e il calcolo quantistico.
Conoscenza e capacità di comprensione
Gli studenti acquisiranno capacità di giudizio nell'identificazione delle proprietà chiave dei materiali per lo sviluppo di dispositivi ad alte prestazioni.
Competenze comunicative
Gli studenti acquisiranno la terminologia e il linguaggio necessari per descrivere le proprietà dei materiali avanzati per le tecnologie quantistiche, nonché i metodi per la preparazione e la realizzazione di dispositivi in nanotecnologia.
Capacità di apprendimento
Gli studenti acquisiranno gli strumenti che consentiranno loro di proseguire gli studi in autonomia attraverso l'utilizzo di metodi di indagine per lo studio e la ricerca di materiali e dispositivi avanzati.
Contenuti sintetici
Realizzazione di uno o piu esperimenti relativi alle tecnologie quantistiche e alla materia condensata a complemento delle attività svolte nel primo modulo.
Programma esteso
Il corso consiste in una o pù esperienze di laboratorio eseguita da studenti suddivisi in gruppi da tre o quattro persone.
Le attività laboratoriali saranno precedute da lezioni introduttive sulla correlazione tra proprietà fisiche dei solidi, effetti di quantizzazione e relative tecniche di indagine sperimentale. Oltre al design dell'esperimento e alla caratterizzazione del sistema in esame, le attività saranno completate dell'analisi dati e dalla stesura di una relazione scritta.
Esempi di esperienze:
• Quantum Sensing: realizzazione di un set-up sperimentale e dimostrazione di un sensore magnetico quantistico basato su difetti di spin in un cristallo di diamante.
• Caratterizzazione di sensori magnetici basati sull’effetto di magnetoresistenza gigante, magnetoresistenza anisotropa e valvola di spin.
• Spettroscopia di spin elettronico in cristalli magnetici bidimensionali.
• Caratterizzazione, controllo e lettura di un qubit superconduttivo.
• Caratterizzazione di un rivelatore criogenico di singoli fotoni ottici per applicazioni quantistiche.
• Caratterizzazione di un amplificatore parametrico con livello di rumore quantistico.
Prerequisiti
Laurea di I livello in fisica o equivalente e primo modulo del corso di laboratorio.
Modalità didattica
Insegnamento con attività sperimentali in laboratorio.
72 ore di attività di laboratorio divise in sessioni di 4 ore ciascuna in modalità interattiva in presenza, che includono lezioni introduttive in modalità erogativa in presenza
Materiale didattico
Testi di riferimento (disponibili anche in formato e-book attraverso la biblioteca d’ateneo):
Dispense del docente
- J. M. D. Coey (2010) “Magnetism and magnetic materials” Cambridge University Press
- Doherty et al. Physics Report, 528 (2013)
- Segawa T. F. Progress in Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy 134–135 (2023) 20–38
Contents lists - Eaton G.R., Eaton S.S., Barr D.B. and Weber R.T. “Quantitative EPR”. Springer-Verlag/Wien (2010)
- A.M. Zagoskin. "Quantum Engineering - Theory and Design of Quantum Coherent Structures", Cambridge University Press (2011)
Ulteriori articoli scientifici relativi ai dispositivi studiati saranno forniti durante il corso.
Periodo di erogazione dell'insegnamento
Secondo semestre.
Modalità di verifica del profitto e valutazione
La modalità di verifica del profitto consiste in una relazione scritta di gruppo approfondita in un esame orale finale per la verifica delle competenze e delle capacità comunicative in ambito disciplinare.
Non sono previste prove parziali.
La valutazione è basata anche sulla capacità dimostrata nello svolgimento dell’esperienza in laboratorio.
Orario di ricevimento
Il ricevimento è previsto in modalità a sportello, previa richiesta via e-mail al docente. Sul sito web d’ateneo è possibile reperire le informazioni relative alla sede universitaria e all’indirizzo specifico del docente.
Sustainable Development Goals
Aims
Development of experimental knowledge related to the solid state physics and quantum technologies by means of advanced techniques based on magnetoresistance, electron spin resonance or superconductivity with quantum cryogenic devices.
The expected results at the end of the course are:
Knowledge and understanding
Students will acquire knowledge in the field of quantum technologies and in particular the correlations between physical properties of solids, quantization effects and experimental methodologies.
Applied knowledge and understanding
Skills in techniques for the characterization of materials, and methods for the realization of devices for quantum sensing and quantum computing.
Making judgments
Students will acquire judgment skills in the identification of key material properties for the development of high-performance devices.
Communication skills
Students will acquire the terminology and language necessary to describe the properties of advanced materials for quantum tecnologies as well as the methods for the preparation and realization of devices in nanotechnology.
Learning skills
Students will acquire the tools that will allow them to continue their studies independently through the use of investigative methods for the study and research of advanced materials and devices.
Contents
Realization of experiments in quantum technologies and condensed matter physics.
Detailed program
The course consists of one or more laboratory based experiments performed by groups of 2/3 students. The laboratory activities will be introduced with lectures about the correlation between physical properties of solids, quantization effects and experimental methodologies. Beside the design of the experiments and the characterization of the physical systems under study, the activities will be complemented with data analysis and a written scientific report.
Example of proposed experiments:
• Quantum sensing: realization of an experimental set-up for the demonstration of a magnetic quantum sensor with crystal defects in diamonds.
• Characterization of magnetic sensors based on giant magnetoresistance, spin valve and anisotropic magnetoresistance.
• Electron spin resonance spectroscopy in magnetic two-dimensional crystals.
• Characterization, control and read-out of a superconducting qubit.
• Characterization of a single-optical photon cryogenic detector for quantum technology applications.
• Characterization of a parametric amplifier with quantum noise level.
Prerequisites
Bachelor degree in Physics or equivalent matter and first module of the course.
Teaching form
On site laboratory based experimental activities.
72 hours of laboratory activity divided in 4 hours sessions in interactive mode in person, including introductory lectures conducted in person and in delivery mode.
Textbook and teaching resource
Texbooks available as e-books through the University Library as well as lectures notes.
- J. M. D. Coey (2010) “Magnetism and magnetic materials” Cambridge University Press
- Doherty et al. Physics Report, 528 (2013)
- Segawa T. F. Nanoscale quantum sensing with Nitrogen-Vacancy centers in nanodiamonds – A magnetic resonance perspective Progress in Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy 134–135 (2023) 20–38
- Eaton G.R., Eaton S.S., Barr D.B. and Weber R.T. “Quantitative EPR”. Springer-Verlag/Wien (2010)
- A.M. Zagoskin. "Quantum Engineering - Theory and Design of Quantum Coherent Structures", Cambridge University Press (2011) Ulteriori articoli scientifici relativi ai dispositivi studiati saranno forniti durante il corso.
Semester
Second semester
Assessment method
The evaluation method is based on a group’s written report as well as on a final oral examination to ascertain the knowledge and the communication skills gained in the context of the topics studied. There will not be available partial examinations. In addition, the evaluation will be based on the ability demonstrated by the students to conduct the experiments in the laboratory.
Office hours
Appointments can be arranged with the lecturers from Monday to Friday at any working hour via email. The information about the addresses and the teacher’s offices are available through the University’s website.
