Presentazione dei percorsi didattici di:

 Superfluidi, liquidi e materia soffice Davide Galli, Davide Pini, Giulia Masserini

 Teoria dei solidi e delle nanostrutture

Nicola Manini, Giovanni Onida

Cos’è un liquido? Stato della materia che può facilmente fluire Dominanti moti diffusivi   Tanta materia nello stato liquido, anche in ambito biologico

–  P.es. cellula di essere vivente Interno: soluzione acquosa di centinaia di biomolecole Membrana: liquido bidimensionale di biomolecole

  Caratterizzazione di un liquido –  Stato disordinato –  Stato fortemente correlato

  Costituenti di un liquido –  Piccole molecole (p.es. acqua): liquidi “semplici” –  Miscele di particelle di taglia molto diversa (p.es. acqua e biomolecole): liquidi “complessi”, “materia soffice”

Superfluidi, liquidi e materia soffice

Cosa succede quando la meccanica quantistica interviene?

Liquidi a basse temperature, p.es. Elio liquido •  Superfluidi: moti senza dissipazione •  Quantizzazione a livello macroscopico •  Corenza quantistica (onde di materia)

In genere:

stato liquido → alta temperatura → meccanica classica

Esempi di temi di ricerca: liquidi classici In che modo le interazioni tra le particelle determinano il diagramma di fase?

Fenomeni di auto-organizzazione rilevanti per proteine, colloidi, polimeri…

È possibile predire teoricamente quali strutture si formeranno in determinate condizioni?"

0.4

0.6

T *

1

1.8

2.6

T *

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4*

0.2

0.4

0.6

T *

liquid vapourfluid solid

za=1, zr=0.5, A=0.0976

za=3, zr=1.8, A=0.29

za=7, zr=4, A=0.4

0 2 4r/

1

0

1

2

v(r)/

0 0.5 13

0.75

1

1.25

k BT/

0 2 4r/

0

2

4

g(r)

Soluzione numerica di teorie fisico-statistiche dello stato liquido

Esempi di temi di ricerca: superfluidi

4He confinato in pori nanometrici Quali effetti provoca il confinamento? È un liquido? È un solido? È un superfluido?

Possiamo avere superfluidità in un solido? La fase supersolida e la “metallurgia” quantistica Caratterizzazione delle proprietà di solidi quantistici in presenza di difetti

Top view �

Grain-boundary �

simulazioni Monte Carlo quantistiche

Attività teorico-computazionale su:

  nanoattrito (simulazioni classiche)   strutture ab-initio di solidi / superfici / clusters / nanostrutture   risposta ottica di solidi   vibrazioni molecolari

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Teoria di Solidi, Superfici e Nanostrutture

fisica computazionale dell'attrito

• Simulazioni classiche del moto atomico • Attenzione ai meccanismi di dissipazione • Interessanti fenomeni solitonici

Simulazioni ab-initio: zero parametri!

ingredienti N, Z

 OK per sistemi a bassa simmetria  Generalità, trasferibilità  Accesso a informazioni fisiche dettagliate  Utile per progettare materiali con le proprietà desiderate

Ma:

  Costo computazionale elevato   Complessità dei codici

www.etsf.eu

nanostrutture di carbonio

  Simulazioni quantistiche del moto elettronico (stato fondamentale, spettroscopie)

  Posizioni atomiche classiche (rilassamento, dinamica...)

  Interessanti fenomeni magnetici

Optical properties of a small peptide “83-92” fragment of HIV-protease

10 aminoacids 175 atoms 4 species 470 electrons Each state expanded on 200,000 g-vectors

Different conformations

235 (HOMO)

231

225

236 (LUMO)

238

…Charge transfer excitations

244

Cosa si impara?

A chi interessano queste competenze?

  Fisica della materia condensata, biofisica, chimica fisica, nanoscienze, applicazioni fisiche e non fisiche della fisica statistica

Sbocchi professionali:   Attività di ricerca di base e applicata anche in ditte private p.es. ST Microelectronics, PirelliLabs…   Attività che richiedono simulazioni e modellizzazione di sistemi complessi

  Metodi di studio e principi di base della materia condensata e fortemente correlata, sia disordinata, sia nello stato cristallino

  Fenomeni di auto-organizzazione   Metodi di simulazione di sistemi complessi

Percorsi didattici di Fisica dei Superfluidi, Liquidi e Materia Soffice e di

Teoria dei Solidi e delle Nanostrutture

2 corsi obbligatori:   Elettrodinamica Classica (per tutti)   Struttura della Materia 2 (caratterizzante Fisica

della Materia)

1 corso altamente raccomandato:   Fisica Statistica

Percorso di superfluidi, liquidi e materia soffice

Fluidi classici Corsi raccomandati:

•  Fisica dei Liquidi e della Materia Soffice

Corsi suggeriti:

•  Teoria dei Sistemi a Molti Corpi 1 •  Biofisica o Biofisica Computazionale •  Fisica delle Proteine 1 •  Laboratorio di Ottica ed Applicazioni

Fluidi quantistici

Corsi suggeriti:

•  Teoria dei Sistemi a Molti Corpi 1 / 2 •  Meccanica Quantistica Avanzata 1

Percorso di Teoria dei solidi e delle nanostrutture corsi raccomandati: •  Teoria dei Sistemi a Molti Corpi 1 •  Metodi Computazionali della Fisica •  Fisica dei Solidi 1 •  Fisica delle Superfici 1

corsi suggeriti:

•  Laboratorio di Fisica della Materia 2 •  Caratterizzazione di Nanostrutture e Film Sottili •  Chimica Fisica A (9 CFU!) •  Chimica Teorica