Course information | Quantum Electronics

Course Syllabus

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Obiettivi

Il corso si propone di fornire le nozioni fondamentali sulle interazioni tra portatori di carica e spin e la materia in dispositivi e sistemi elettronici. Gli stati elettronici di materiali e dispositivi saranno studiati attraverso la discussione delle loro architetture e la misurazione delle proprietà ottiche, elettroniche e magnetiche, al fine di comprendere le potenziali applicazioni dei materiali quantistici nelle tecnologie quantistiche. Durante il corso verranno date dimostrazioni sperimentali di alcuni fenomeni descritti durante le lezioni: come ad esempio: quantizzazione della conduttanza, magnetoresistenza gigante, sensori quantistici, miscoscopia elettornica di domini magnetici.

I risultati attesi al termine dell’insegnamento sono:

Conoscenza e capacità di comprensione
Gli studenti acquisiranno conoscenze nell'ambito dei materiali e dei fenomeni quantistici emergenti dal confinamento della materia lungo una o più direzioni nello spazio, e dei metodi per la preparazione e caratterizzazione di dispositivi che permettano di sfruttare tali fenomeni nell'elettronica per le tecnologie quantistiche.
Conoscenza e capacità di comprensione applicate
Competenze nell'ambito delle tecniche per la caratterizzazione di materiali e dei metodi per la realizzazione di dispositivi per la spintronica, sensoristica e computazione quantistica.
Autonomia di giudizio
Gli studenti acquisiranno capacità di giudizio nell'individuare le proprietà chiave dei materiali che permettono lo sviluppo di dispositivi avanzati e performanti sapendo distinguere potenzialità e limitazioni.
Abilità comunicative
Gli studenti acquisiranno la terminologia e il linguaggio necessari per saper descrivere le proprietà di materiali avanzati per la elettronica quantistica e dei metodi di preparazione e realizzazione di dispositivi in nanotecnologia.
Capacità di apprendere
Gli studenti acquisiranno gli strumenti che gli permetteranno di continuare lo studio in modo autonomo attraverso l'utilizzo di metodi di indagine per lo studio e la ricerca di materiali e dispositivi avanzati.

Contenuti sintetici

• Introduzione: Elettronica per le moderne tecnologie quantistiche
• Trasporto quantistico in strutture a bassa dimensionalità
• Spintronica
• Funzionalità emergenti: magnetismo topologico
• Attivita' di Laboratorio

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. Richiami di concetti base di fisica dello stato solido e fisica dei semiconduttori.

TRASPORTO QUANTISTICO
• Meccanismo di conduzione in sistemi a bassa dimensionalità. Resistore elastico. Regime lineare. Trasporto balistico, diffusivo e quasi-balistico.
• Formalismo generale per la conduttività. Resistenza di interfaccia. Due visioni della conduttività. Equazione di Boltzmann.
• Regole di progettazione per un nanotransistor efficiente. Conduttanza quantizzata. Contatto Quantistico di Punto (CQP). Formalismo di Buttiker-Landauer.
• Effetto Hall quantistico intero e frazionario. Grafene.
• Effetto tunnel coerente e incoerente in una doppia barriera.
• Transistor a singolo elettrone: teoria, funzionamento e applicazioni. Rilevamento della carica con QPC: elettrometro.

METODI PER LA GENERAZIONE, RILEVAZIONE E MANIPOLAZIONE DI SPIN
• Spin in un punto quantico. Spettroscopia degli stati eccitati. Transizione S-T indotta da campo magnetico. Filtro di spin bipolare. Metodi di conversione da spin a carica.
• Non-demolizione quantistica con doppi punti quantici. Diagramma di stabilità della carica. Rilevamento della carica con doppi punti quantici.
• Spin in due doppi punti quantici. Blocco dello spin di Pauli. Meccanismi di decoerenza dello spin.
• Risonanza di spin elettronico. Metodi per la manipolazione a microonde, elettrica e ottica degli spin elettronici.
• Manipolazione ottica dello spin elettronico con centri NV nel diamante.

DISPOSITIVI E APPLICAZIONI IN SPINTRONICA
• Teoria della conduzione nelle strutture a strati magnetici. Trasporto di spin attraverso interfacce.
• Effetti della magnetoresistenza: Magnetoresistenza anisotropica (AMR). Magnetoresistenza gigante (GMR). Magnetoresistenza a effetto tunnel. • Giunzioni a tunnel magnetico.
• Rilevamento e manipolazione elettrica dello spin con valvole di spin laterali.
• Memoria magnetica ad accesso casuale universale (MRAM).
• Coppia di trasferimento di spin (STT). Inversione della magnetizzazione con nanofili.
• Transistor di spin Datta-Das.

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.
• Esperienze di laboratorio per la visualizzazione microscopica di domini magnetici.

Prerequisiti

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

Modalità didattica

22 lezioni da 2 ore in presenza (didattica Erogativa)
12 ore per esperienze di laboratorio (didattica interattiva).
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
T. Shinjo (2009), Nanomagnetism and Spintronics, Elsevier
J. Stöhr and H.C. Siegmann (2006) Magnetism: from fundamentals to nanoscale dynamics. Springer, Berlin
Jiadong Zang, Vincent Cros, Axel Hoffmann, Topology in Magnetism, Springer Nature Switzerland AG 2018

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 concepts of the interactions between charge and spin carriers and matter within electronic devices and systems. The electronic states of materials and devices will be investigated by discussing their architectures and measuring their optical, electronic, and magnetic properties, with the objective of understanding the potential applications of quantum materials in quantum technologies. During the course, experimental demonstrations of some of the phenomena described in class will be provided, such as: conductance quantization, giant magnetoresistance, quantum sensors, and electron microscopy of magnetic domains.

The expected results at the end of the course are:

Knowledge and understanding
Students will acquire knowledge in the field of materials and quantum phenomena emerging from the confinement of matter along one or more directions in space, and methods for the preparation and characterization of devices that allow the exploitation of such phenomena in electronics for quantum technologies.
Applied knowledge and understanding
Skills in techniques for the characterization of materials, and methods for the realization of devices for spintronics, sensing and quantum computing.
Making judgments
Students will acquire judgment skills that will enable the to identify the key properties of materials that allow the development of advanced and high-performance devices, and to discern between their potentialities and limitations.
Communication skills
Students will acquire the terminology and language necessary to be able to describe the properties of advanced materials for quantum electronics 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.

• Introduction: Electronics for modern quantum technologies
• Quantum transport in low dimensional structures
• Spintronics
• Emergent functionalities: topological magnetism
• Laboratory Activities

Detailed program

INTRODUCTION
• Electronic devices for the modern quantum technologies. Overview of course pre-requisite, lecture contents, textbooks/literature, and assessment methods. Review of basic concepts in solid-state physics and semiconductor physics

QUANTUM TRANSPORT
• Conduction mechanism in low dimensional systems. Elastic Resistor. Linear regime. Ballistic, diffusive and quasi-ballistic transport.
• General formalism for conductivity. Interface resistance. Two perspectives for conductivity. Boltzmann equation.
• Designing rules for an efficient Nanotransistor. Quantized conductance. Quantum Point Contact (QPC). Buttiker - Landauer formalism.
• Integer and fractional Quantum Hall effect. Graphene.
• Coherent and incoherent tunnelling in a double barrier.
• Single Electron Transistor: theory, operation and applications. Charge sensing with QPC: electrometer.

METHODS FOR ELECTRON SPIN GENERATION, DETECTION and MANIPULATION
• Spin in a Quantum Dot. Excited states spectroscopy. Field induced S-T transition. Bipolar spin filter. Spin to charge conversion methods.
• Quantum Non – Demolition with Double Quantum Dots. Charge stability diagram. Charge sensing with double dots.
• Spins in two double QDs. Pauli spin blockade. Spin dephasing mechanisms.
• Electron spin resonance. Methods for microwave, electrical and optical manipulation of electron spins.
• Optical manipulation of electron spin with NV centers in diamond.

SPINTRONICS DEVICES AND APPLICATIONS
• Theory of conduction in magnetic layers structures. Spin transport across interfaces.
• Magnetoresistance effects: Anisotropic Magnetoresistance (AMR). Giant Magnetoresistance (GMR). Tunnelling Magneto-resistance. Magnetic tunnelling junctions.
• Electrical Spin detection and manipulation with lateral spin valves.
• Universal memory magnetic random access memory (MRAM).
• Spin Transfer Torque (STT). Spin injection magnetization switching (SIMS) with Nanopillars.
• Datta-Das Spin Transistor.

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.
• Laboratory experiences for the microscopic visualization of magnetic domains.

Prerequisites

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

Teaching form

22 two-hours lectures, in person (delivered didactics).
12 hours of laboratory experiences (interactive 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
T. Shinjo (2009), Nanomagnetism and Spintronics, Elsevier
J. Stöhr and H.C. Siegmann (2006) Magnetism: from fundamentals to nanoscale dynamics. Springer, Berlin
Jiadong Zang, Vincent Cros, Axel Hoffmann, Topology in Magnetism, Springer Nature Switzerland AG 2018

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.