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MODELLISTICA DEI SOLIDI

 

SOLID STATE MODELING AND SIMULATION

 

Anno accademico 2017/2018

Codice attività didattica
CHI0067
Docente
Dott. Silvia Casassa (Titolare del corso)
Anno
2° anno
Tipologia
A scelta dello studente
Crediti/Valenza
4
SSD attività didattica
CHIM/02 - chimica fisica
Erogazione
Tradizionale
Lingua
Inglese
Frequenza
Obbligatoria
Tipologia esame
Orale
Prerequisiti
Conoscenze di base di:
(i) postulati della meccanica quantistica;
(ii) chimica dello stato solido (bande elettroniche, fononiche, gap, etc.);
(iii) strutturistica chimica (reticoli cristallini, gruppi di simmetria, reticolo reciproco);
(iv) metodi quanto-meccanici per la soluzione dell'equazione di Schroedinger per sistemi molecolari.

Ciascuno di questi argomenti verrà ripreso all'inizio dell'insegnamento in modo da uniformare i vari linguaggi e fornire una solida base di partenza comune sulla quale innestare le successive conoscenze.

 
 

Obiettivi formativi

  • Italiano
  • English

L'insegnamento si propone di fornire a studenti e studentesse un approfondimento sulle teorie e i metodi della chimica quantistica per lo studio dei sistemi macroscopici quali cristalli, superfici, interfacce, polimeri e nanostrutture.  

In particolare, si intende evidenziare la profonda connessione tra strutture matematiche, equazioni fisiche e proprietà intrinseche della materia che è ciò che consente di ottenere, attraverso lo sviluppo di codici quanto-meccanici, l'energia di un solido ma anche la sua struttura elettronica e vibrazionale e le sue proprietà di risposta a sollecitazioni esterne, quali campi elettrici o stress meccanici. 

Infine, l'insegnamento punta a sviluppare negli studenti/esse:

- un certo grado di autonomia rispetto ad una eventuale scelta e all'utilizzo di software computazionali per lo studio delle proprietà dei materiali,

- una buona consapevolezza dei limiti di applicabilità e dei punti di forza di ciascuno metodo computazionale

- una capacità di analisi  dei risultati ottenuti attraverso il calcolo, del loro range di applicabilità e  di come confrontarli con eventuali dati sperimentali.

 

Risultati dell'apprendimento attesi

  • Italiano
  • English

Al termine dell'insegnamento, studenti e studentesse dovrebbero essere in grado di utilizzare il formalismo matematico, le conoscenze sulla struttura chimico-fisica della materia e gli algoritmi per la soluzione dell'equazione di Schroedinger, nelle sue varie approssimazioni, nello studio teorico delle proprietà dei solidi cristallini. 

La possibilità di calcolare attraverso l'utilizzo consapevole di un software scientifico di alto livello quelle osservabili generalmente ottenute attraverso esperimenti, darà loro l'opportunità di cogliere il profondo nesso tra teoria e realtà fisica. Inoltre saranno in grado di apprezzare la sinergia tra chimica teorica e chimica sperimentale  e utilizzare i dati calcolati, presenti in articoli scientifici e libri, con cognizione di causa.

 

Programma

  • Italiano
  • English

Una funzione d'onda per descrivere atomi, molecole e cristalli.

Una funzione d'onda come densità di probabilità: riepilogo dei postulati della meccanica quantistica (QM), secondo l'interpretazione di Copenaghen.

Equazioni di Schroedinger, approssimazioni e struttura della materia.

Soluzione approssimata dell'equazione di Schoedinger (metodo Hatree-Fock, HF) e sviluppo di un codice QM  in grado di calcolarla.

La simmetria: una proprietà intrinseca e fondamentale della materia. Simmetria puntuale, gruppi ciclici e gruppo delle traslazioni del cristallo.

Il reticolo reciproco: il cristallo a raggi X.

Metodo HF per cristalli periodici: ruolo fondamentale della simmetria.

Proprietà della materia: densità degli stati, bande, spettri elettronici e fononici.

Proprietà di risposta: applicazione di un campo elettrico (proprietà ottiche ed elettriche).

Proprietà di risposta: applicazione di una deformazione meccanica (bulk modulus, costanti elastiche, piezoelettricità).

 

Modalità di insegnamento

  • Italiano
  • English

Due sono le modalità di insegnamento:

la prima parte dell'insegnament, durante la quale vengono forniti concetti e strumenti, è di tipo frontale, in aula, con l'ausilio della lavagna di ardesia e l'utilizzo di lucidi;

la seconda parte, che si svolge in laboratorio informatico, prevede l'uso attivo di personal computer, uno per ciascun studente/essa.

 

Modalità di verifica dell'apprendimento

  • Italiano
  • English

L'esame consiste in un colloquio orale, della durata di circa quaranta minuti, durante il quale vengono accertati i risultati dello studio, attraverso domande di teoria generale e proponendo semplici esercizi, volti a comprendere quanto i concetti siano stati assimilati.

Inoltre, facendo riferimento al lavoro svolto in laboratorio informatico, verranno poste domande sui risultati ottenuti in modo da verificare il grado di autonomia e consapevolezza raggiunto nell'uso del software scientifico e nell'analisi dei dati.

 

Attività di supporto

  • Italiano
  • English

L'Insegnamento frontale è completato dallo svolgimento di un laboratorio informatico, con disponibilità di un personal computer per ogni studente/essa, equipaggiato con sistema operativo Linux e il codice quanto-meccanico CRYSTAL (www.crystal.unito.it).

 

Testi consigliati e bibliografia

  • Italiano
  • English

Appunti del Corso, a cura di S. Casassa.

A. Szabo and N. S. Ostlund,  Modern Quantum Chemistry,  Dover Publication, New York.

R. Dovesi, B. Civalleri, R. Orlando, C. Roetti, and V. R. Saunders,
Ab Initio Quantum Simulation in Solid State Chemistry 
Reviews in Computational Chemistry, Chapter 1, Volume 21, John Wiley & Sons, Inc, New York, 2005

D.A. McQuarrie and J.D. Simon, Quantum Chemistry: a molecular approach, University Science Book

I. A. Levine, Quantum Chemistry, Pearson Edition

 

Note

  • Italiano
  • English

Tutti gli argomenti richiesti nei prerequisiti, compreso le nozioni di algebra lineare necessarie per meglio apprezzare la trattazione matematica, verranno ripresi durante le lezioni frontali in modo da garantire a studentesse e studenti la miglior fruizione del corso.

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    Ultimo aggiornamento: 19/07/2017 11:38
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