8/20/2019 Lo Spin, Una Trottola Che Ci Gira Intorno

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Inaugurazione anno accademico 2014|15

Lo spin: una trottola che ci gira intornoProf. Franco Ciccacci

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Franco Ciccacci

Spin Fisica dei quanti

Fisica dei quanti

spin

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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)

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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 !

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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)

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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 … )

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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

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Franco Ciccacci

due studenti di dottorato hanno un’idea…

Uhlenbeck e Goudsmit (Leida, 1925)

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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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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

nucleo

elettrone

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)

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

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51/83

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

52/83

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

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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

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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

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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

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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

spintronica

1988: GMR, Magneto-resitenza gigante

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Franco Ciccacci

, g g g

GMR, Giant Magneto-Resistance

A. Fert & P. Grünbergpremio Nobel per la Fisica 2007

1988: GMR, Magneto-resitenza gigante

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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

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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

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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

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Franco Ciccacci

, g g

Fisicaclassica

Fisica deiquanti

MTJ, giunzioni tunnel magnetiche

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Franco Ciccacci

Fisicaclassica

Fisica deiquanti

g g

MTJ, giunzioni tunnel magnetiche

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Franco Ciccacci

g g

Fisicaclassica

Fisica deiquanti

MTJ - applicazioni

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Franco Ciccacci

MTJ - applicazioni

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71/83

Franco Ciccacci

non volatili, veloci, lunga durata, basso consumo

Magnetic Random Access Memories – Magnetic-RAM

MTJ - applicazioni

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72/83

Franco Ciccacci

non volatili, veloci, lunga durata, basso consumo

Magnetic Random Access Memories – Magnetic-RAM

MTJ - applicazioni

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Franco Ciccacci

R’

biotin

streptavidin

target

R

probe

Biosensori perriconoscimento molecolare

dispositivi spintronici a semiconduttore

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Franco Ciccacci

Spin modulation by gate voltage

Spin-FET

V gate = 0

ON

B

V gate

≠ 0

OFF

Spin-LED

dispositivi spintronici a semiconduttore

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Franco Ciccacci

Spin photovoltaic cell

NATURE MATERIALS | VOL 13 | JULY 2014 | www.nature.com/naturematerials

Quantum computation

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Franco Ciccacci

Quantum computation

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77/83

Franco Ciccacci

Computer tradizionale: bit0 oppure 1

Quantum computation

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Franco Ciccacci

Computer tradizionale: bit0 oppure 1

Computer quantistico: qubit0 e 1

Quantum computation

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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

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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

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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

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“ I think I can safely say thatnobody understands quantum physics ”

(Feynman)

Quelli della notte (1985)

“ Non capisco,ma mi adeguo ”