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8/20/2019 Lo Spin, Una Trottola Che Ci Gira Intorno
1/83
Inaugurazione anno accademico 2014|15
Lo spin: una trottola che ci gira intornoProf. Franco Ciccacci
8/20/2019 Lo Spin, Una Trottola Che Ci Gira Intorno
2/83
Franco Ciccacci
Spin Fisica dei quanti
Fisica dei quanti
spin
8/20/2019 Lo Spin, Una Trottola Che Ci Gira Intorno
3/83
Franco Ciccacci
Fisica dei quanti
Premio Nobel per la Fisica (1965)
Commissione sul disastro
del Challanger (1986)
• Elettrodinamica quantistica• Interazione debole• Superfluidità nell’elio
Richard P. Feynman (1918-1988)
8/20/2019 Lo Spin, Una Trottola Che Ci Gira Intorno
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Franco Ciccacci
Fisica dei quanti
Premio Nobel per la Fisica (1965)
Commissione sul disastro
del Challanger (1986)
• Elettrodinamica quantistica• Interazione debole• Superfluidità nell’elio
Richard P. Feynman (1918-1988)
“ I think I can safely say that nobodyunderstands quantum physics ”
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Franco Ciccacci
Fisica dei quanti: ovunque !
8/20/2019 Lo Spin, Una Trottola Che Ci Gira Intorno
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Franco Ciccacci
Fisica dei quanti: ovunque !
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7/83Franco Ciccacci
Fisica dei quanti: ovunque !
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8/83Franco Ciccacci
Fisica dei quanti: ovunque !
8/20/2019 Lo Spin, Una Trottola Che Ci Gira Intorno
9/83Franco Ciccacci
… e per lo spin… 9
spinAll’origine di tutti i fenomeni magnetici(noti già nella Grecia antica V-VI secolo a.C.spiegazione solo nel 1927, W. Heisenberg)
8/20/2019 Lo Spin, Una Trottola Che Ci Gira Intorno
10/83Franco Ciccacci
… e per lo spin…
spinAll’origine di tutti i fenomeni magnetici(noti già nella Grecia antica V-VI secolo a.C.spiegazione solo nel 1927, W. Heisenberg)
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12/83Franco Ciccacci
spin: introduzione storica…
• accettata esistenza degli atomi
• scoperta dell’elettrone (J.J. Thomson, 1897) • scoperta del nucleo atomico (E. Rutherford, 1911)
• spettri di emissione/assorbimento de gli atomi (pioniere Fraunhofer, 1814 )• gran mole di dati sperimentali (anche da osservazioni astrofisiche)• ogni elemento chimico possiede spettro caratteristico (Kirchhoff e Bunsen, 1860)
• regolarità formule empiriche (Balmer 1885, Ritz, 1898, Rydberg 1889)
• quantizzazione dell’energia, E = n h n (Planck, 1900)• quanti di luce: il fotone (Einstein, 1905)
prime idee sullo spin 1920
rivoluzione scientifica (Thomas Kuhn)
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13/83Franco Ciccacci
atomo di Bohr (1913)
modello planetario
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14/83Franco Ciccacci
atomo di Bohr (1913)
modello planetario
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15/83Franco Ciccacci
atomo di Bohr (1913)
modello planetario
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16/83Franco Ciccacci
atomo di Bohr (1913)
modello planetario
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17/83Franco Ciccacci
atomo di Bohr (con rifiniture … )
8/20/2019 Lo Spin, Una Trottola Che Ci Gira Intorno
18/83Franco Ciccacci
atomo di Bohr (con rifiniture … )
numero quantico n dimensione orbita
n = 1n = 2n = 3
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19/83Franco Ciccacci
atomo di Bohr (con rifiniture … )
numero quantico n dimensione orbita
n = 1n = 2n = 3
numero quantico k forma orbitak = 1k = 2k = 3
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20/83Franco Ciccacci
atomo di Bohr (con rifiniture … )
numero quantico n dimensione orbita
n = 1n = 2n = 3
numero quantico k forma orbitak = 1k = 2k = 3
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21/83Franco Ciccacci
atomo di Bohr (con rifiniture … )
numero quantico n dimensione orbita
n = 1n = 2n = 3
numero quantico k forma orbitak = 1k = 2k = 3
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22/83Franco Ciccacci
atomo di Bohr (con rifiniture … )
numero quantico n dimensione orbita
n = 1n = 2n = 3
numero quantico k forma orbitak = 1k = 2k = 3
numero quantico m orientamento spaziale
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23/83Franco Ciccacci
atomo di Bohr (con rifiniture … )
numero quantico n dimensione orbita
n = 1n = 2n = 3
numero quantico k forma orbitak = 1k = 2k = 3
numero quantico m orientamento spaziale
3 numeri quantici n k m
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Franco Ciccacci
esperimento di Stern e Gerlach (1920-22)
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Franco Ciccacci
esperimento di Stern e Gerlach (1920-22)
N
S
fascio atomico
x
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Franco Ciccacci
esperimento di Stern e Gerlach (1920-22)
N
S
fascio atomico
x
tutti gli orientamenti possibili (classica) traccia continua
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Franco Ciccacci
esperimento di Stern e Gerlach (1920-22)
N
S
fascio atomico
x
solo alcuni orientamenti permessi (quantistica) macchie discrete
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Franco Ciccacci
esperimento di Stern e Gerlach (1920-22)
N
S
z
fascio atomico
z
x
quantizzazione orientamento spaziale sì , ma….
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Franco Ciccacci
principio di esclusione di Pauli (1925)
oltre a n, k , m serve un quartonumero quantico (a due valori)
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Franco Ciccacci
principio di esclusione di Pauli (1925)
oltre a n, k , m serve un quartonumero quantico (a due valori)
nell’atomo non ci possono
essere due elettroni contutti i quattro numeri
quantici uguali
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Franco Ciccacci
principio di esclusione di Pauli (1925)
oltre a n, k , m serve un quartonumero quantico (a due valori)
nell’atomo non ci possono
essere due elettroni contutti i quattro numeri
quantici uguali
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Franco Ciccacci
struttura fine degli spettri atomici
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Franco Ciccacci
struttura fine degli spettri atomici
doppietto giallo del sodio(Na)
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Franco Ciccacci
struttura fine degli spettri atomici
doppietto giallo del sodio(Na)
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Franco Ciccacci
struttura fine degli spettri atomici
doppietto giallo del sodio(Na)
l
i n t
e n s
i t à
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Franco Ciccacci
struttura fine degli spettri atomici
doppietto giallo del sodio(Na)
l 1 l 2
?
l
i n t
e n s
i t à
8/20/2019 Lo Spin, Una Trottola Che Ci Gira Intorno
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Franco Ciccacci
due studenti di dottorato hanno un’idea…
Uhlenbeck e Goudsmit (Leida, 1925)
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38/83
Franco Ciccacci
due studenti di dottorato hanno un’idea…
Uhlenbeck e Goudsmit (Leida, 1925)
visualizzare il quarto numero quantico
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Franco Ciccacci
due studenti di dottorato hanno un’idea…
Uhlenbeck e Goudsmit (Leida, 1925)
visualizzare il quarto numero quantico
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40/83
Franco Ciccacci
nucleo
elettrone
due studenti di dottorato hanno un’idea…
Uhlenbeck e Goudsmit (Leida, 1925)
visualizzare il quarto numero quantico
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41/83
Franco Ciccacci
due studenti di dottorato hanno un’idea…
Uhlenbeck e Goudsmit (Leida, 1925)
S
visualizzare il quarto numero quantico
nucleo
elettrone
…. spinning electron …
l d f
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Franco Ciccacci
l’idea pare funzionare ….
l’id f i
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Franco Ciccacci
doppietto
l’idea pare funzionare ….
l’id f i
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Franco Ciccacci
doppietto
44
spin-su
spin-giù
4 ° numero quantico
l’idea pare funzionare ….
l’id f i
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Franco Ciccacci
doppietto
45
spin-su
spin-giù
4 ° numero quantico
momento angolare S dipolo magnetico ms N
S
esperimento di Stern e Gerlach
S
l’idea pare funzionare ….
l’elettrone come una trottola rotante ?
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Franco Ciccacci
l elettrone come una trottola rotante ?
Uhlenbeck e GoudsmitP. Ehrenfest
l’elettrone come una trottola rotante ?
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Franco Ciccacci
l elettrone come una trottola rotante ?
Uhlenbeck e GoudsmitP. Ehrenfest
“… e poi chiederemo a Lorentz…”
l’elettrone trottola ?
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Franco Ciccacci
l elettrone -trottola ?
H. Lorentz
l’elettrone trottola ?
: assurdo !
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49/83
Franco Ciccacci
l elettrone -trottola ?
H. Lorentz
Eh, no, no…
: assurdo !
l’elettrone -trottola ?
: assurdo !
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50/83
Franco Ciccacci
l elettrone -trottola ?
H. Lorentz
Eh, no, no…
: assurdo !
l’elettrone come una trottola rotante
8/20/2019 Lo Spin, Una Trottola Che Ci Gira Intorno
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Franco Ciccacci
Uhlenbeck e Goudsmit P. Ehrenfest
l elettrone come una trottola rotante
l’elettrone come una trottola rotante
8/20/2019 Lo Spin, Una Trottola Che Ci Gira Intorno
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Franco Ciccacci
Uhlenbeck e Goudsmit P. Ehrenfest
“…il vostro articolo l’ho già spedito: siete entrambi abbastanzagiovani da potervi permettere qualche sciocchezza ! “
l elettrone come una trottola rotante
l’elettrone come una trottola rotante
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Franco Ciccacci
Uhlenbeck e Goudsmit P. Ehrenfest
“…il vostro articolo l’ho già spedito: siete entrambi abbastanzagiovani da potervi permettere qualche sciocchezza ! “
scoperta dello spin: Uhlenbeck e Goudsmit (1925)
l elettrone come una trottola rotante
Spin: nessun modello classico
8/20/2019 Lo Spin, Una Trottola Che Ci Gira Intorno
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Franco Ciccacci
Spin: nessun modello classico
Spin proprietà fondamentale senza analogo classico (... non comprensibile…)
particella: carica q, massa m, spin s
Spin: nessun modello classico
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Franco Ciccacci
Spin: nessun modello classico
Spin proprietà fondamentale senza analogo classico (... non comprensibile…)
particella: carica q, massa m, spin s
W. Pauli, 1927 formalizzazione dello spin
W. Heisenberg, 1927 spiegazione (basata sullo spin) delleproprietà magnetiche dei materiali
P.A.M. Dirac, 1928 fisica quantistica-relativisticaesistenza e proprietà dello spin dell’elettrone
Spin: nessun modello classico
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Franco Ciccacci
Spin: nessun modello classico
Spin proprietà fondamentale senza analogo classico (... non comprensibile…)
particella: carica q, massa m, spin s
W. Pauli, 1927 formalizzazione dello spin
W. Heisenberg, 1927 spiegazione (basata sullo spin) delleproprietà magnetiche dei materiali
P.A.M. Dirac, 1928 fisica quantistica-relativisticaesistenza e proprietà dello spin dell’elettrone
…. mezzo secolo dopo…
anni ‘80 del Novecento
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Franco Ciccacci
… anni 80 del Novecento
Capacità di realizzare/fabbricare strutture• di dimensioni nanometriche• con posizionamento spaziale definito a priori• riproducibili in modo arbitrario
1 nm = 10-9 mun nanometro = un miliardesimo di metro
anni ‘80 del Novecento
8/20/2019 Lo Spin, Una Trottola Che Ci Gira Intorno
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Franco Ciccacci
… anni 80 del Novecento
Controllo e manipolazione della materia a scala nanometrica
Nanotecnologie
Capacità di realizzare/fabbricare strutture
• di dimensioni nanometriche• con posizionamento spaziale definito a priori• riproducibili in modo arbitrario
1 nm = 10-9 mun nanometro = un miliardesimo di metro
anni ‘80 del Novecento
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Franco Ciccacci
… anni 80 del Novecento
Controllo e manipolazione della materia a scala nanometrica
1 nm = 10-9 mun nanometro = un miliardesimo di metro
Nanotecnologie
…….anche per spin dell’elettrone
Capacità di realizzare/fabbricare strutture
• di dimensioni nanometriche• con posizionamento spaziale definito a priori• riproducibili in modo arbitrario
nasce una nuova elettronica
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Franco Ciccacci
nasce una nuova elettronica
nasce una nuova elettronica
8/20/2019 Lo Spin, Una Trottola Che Ci Gira Intorno
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Franco Ciccacci
nasce una nuova elettronica
• aggiungere un nuovo grado di libertà• controllare lo spin oltre che la carica delle particellle• aggiungere il dualismo di tipo magnetico spin-su spin-giù a quello
convenzionale elettrone-lacuna
• combinare elementi magnetici di piccole dimensioni (nanometriche) conla convenzionale elettronica a semiconduttore
nasce una nuova elettronica
8/20/2019 Lo Spin, Una Trottola Che Ci Gira Intorno
62/83
Franco Ciccacci
nasce una nuova elettronica
• aggiungere un nuovo grado di libertà• controllare lo spin oltre che la carica delle particellle• aggiungere il dualismo di tipo magnetico spin-su spin-giù a quello
convenzionale elettrone-lacuna
• combinare elementi magnetici di piccole dimensioni (nanometriche) conla convenzionale elettronica a semiconduttore
spintronica
1988: GMR, Magneto-resitenza gigante
8/20/2019 Lo Spin, Una Trottola Che Ci Gira Intorno
63/83
Franco Ciccacci
, g g g
GMR, Giant Magneto-Resistance
A. Fert & P. Grünbergpremio Nobel per la Fisica 2007
1988: GMR, Magneto-resitenza gigante
8/20/2019 Lo Spin, Una Trottola Che Ci Gira Intorno
64/83
Franco Ciccacci
, g g g
GMR, Giant Magneto-Resistance
A. Fert & P. Grünbergpremio Nobel per la Fisica 2007
Fe/Cr/Fe system FM/AFM oscillations
Fe (top)
Cr Cr Cr
Cr
Fe (sub)
odd FM even AFM
1988: GMR, Magneto-resitenza gigante
8/20/2019 Lo Spin, Una Trottola Che Ci Gira Intorno
65/83
Franco Ciccacci
, g g g
GMR, Giant Magneto-Resistance
A. Fert & P. Grünbergpremio Nobel per la Fisica 2007
hard disk
GMRreading head
signal
time
1988: GMR, Magneto-resitenza gigante
8/20/2019 Lo Spin, Una Trottola Che Ci Gira Intorno
66/83
Franco Ciccacci
, g g g
position sensor
GMR, Giant Magneto-Resistance
A. Fert & P. Grünbergpremio Nobel per la Fisica 2007
hard disk
GMRreading head
signal
time
MTJ, giunzioni tunnel magnetiche
8/20/2019 Lo Spin, Una Trottola Che Ci Gira Intorno
67/83
Franco Ciccacci
, g g
Fisicaclassica
Fisica deiquanti
MTJ, giunzioni tunnel magnetiche
8/20/2019 Lo Spin, Una Trottola Che Ci Gira Intorno
68/83
Franco Ciccacci
Fisicaclassica
Fisica deiquanti
g g
MTJ, giunzioni tunnel magnetiche
8/20/2019 Lo Spin, Una Trottola Che Ci Gira Intorno
69/83
Franco Ciccacci
g g
Fisicaclassica
Fisica deiquanti
MTJ - applicazioni
8/20/2019 Lo Spin, Una Trottola Che Ci Gira Intorno
70/83
Franco Ciccacci
MTJ - applicazioni
8/20/2019 Lo Spin, Una Trottola Che Ci Gira Intorno
71/83
Franco Ciccacci
non volatili, veloci, lunga durata, basso consumo
Magnetic Random Access Memories – Magnetic-RAM
MTJ - applicazioni
8/20/2019 Lo Spin, Una Trottola Che Ci Gira Intorno
72/83
Franco Ciccacci
non volatili, veloci, lunga durata, basso consumo
Magnetic Random Access Memories – Magnetic-RAM
MTJ - applicazioni
8/20/2019 Lo Spin, Una Trottola Che Ci Gira Intorno
73/83
Franco Ciccacci
R’
biotin
streptavidin
target
R
probe
Biosensori perriconoscimento molecolare
dispositivi spintronici a semiconduttore
8/20/2019 Lo Spin, Una Trottola Che Ci Gira Intorno
74/83
Franco Ciccacci
Spin modulation by gate voltage
Spin-FET
V gate = 0
ON
B
V gate
≠ 0
OFF
Spin-LED
dispositivi spintronici a semiconduttore
8/20/2019 Lo Spin, Una Trottola Che Ci Gira Intorno
75/83
Franco Ciccacci
Spin photovoltaic cell
NATURE MATERIALS | VOL 13 | JULY 2014 | www.nature.com/naturematerials
Quantum computation
8/20/2019 Lo Spin, Una Trottola Che Ci Gira Intorno
76/83
Franco Ciccacci
Quantum computation
8/20/2019 Lo Spin, Una Trottola Che Ci Gira Intorno
77/83
Franco Ciccacci
Computer tradizionale: bit0 oppure 1
Quantum computation
8/20/2019 Lo Spin, Una Trottola Che Ci Gira Intorno
78/83
Franco Ciccacci
Computer tradizionale: bit0 oppure 1
Computer quantistico: qubit0 e 1
Quantum computation
8/20/2019 Lo Spin, Una Trottola Che Ci Gira Intorno
79/83
Franco Ciccacci
Computer tradizionale: bit0 oppure 1
Computer quantistico: qubit0 e 1
sovrapposizione dei due stati(0) + b (1)
(spin-su ) + b (spin-giù )
Quantum computation
8/20/2019 Lo Spin, Una Trottola Che Ci Gira Intorno
80/83
Franco Ciccacci
Primi computer quantistici (??) già commerciali
( 512 qubits 10 M$ )
Computer quantistico: qubit0 e 1
Computer tradizionale: bit0 oppure 1
sovrapposizione dei due stati(0) + b (1)
(spin-su ) + b (spin-giù )
… e per finire, ancora una citazione
8/20/2019 Lo Spin, Una Trottola Che Ci Gira Intorno
81/83
Franco Ciccacci
… e per finire, ancora una citazione
8/20/2019 Lo Spin, Una Trottola Che Ci Gira Intorno
82/83
Franco Ciccacci
“ I think I can safely say thatnobody understands quantum physics ”
(Feynman)
… e per finire, ancora una citazione
8/20/2019 Lo Spin, Una Trottola Che Ci Gira Intorno
83/83
“ I think I can safely say thatnobody understands quantum physics ”
(Feynman)
Quelli della notte (1985)
“ Non capisco,ma mi adeguo ”
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