Università di Pisa - Valutazione della didattica e iscrizione agli esami

Scheda programma d'esame

DISORDERED SYSTEMS OUT OF EQUILIBRIUM

SIMONE CAPACCIOLI

Academic year2023/24
CoursePHYSICS
Code309BB
Credits9
PeriodSemester 1
LanguageEnglish

Modules

Area

Type

Hours

Teacher(s)

SISTEMI DISORDINATI FUORI EQUILIBRIO

FIS/03

LEZIONI

SIMONE CAPACCIOLI unimap

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Obiettivi di apprendimento

Learning outcomes

Conoscenze

Il Corso è diviso in tre parti in cui si intende fornire conoscenze di base in:

Descrizione ed interpretazione del disordine in liquidi, colloidi, vetri e polimeri.
Dinamica e termodinamica degli stati di fuori equilibrio nella materia passiva e attiva.
Tecniche sperimentali di uso corrente nello studio di struttura e dinamica di sistemi disordinati.

Knowledge

The Course will provide basic knowledge concerning:

Description and interpretation of disorder in liquids, colloids, glasses and polymers.
Dynamics and thermodynamics of the off-equilibrium states in passive and active matter.
Experimental techniques of current use in studies addressing the structure and the dynamics of disordered systems.

Modalità di verifica delle conoscenze

Le conoscenze saranno verificate tramite prova orale. Per chi fosse interessato le conoscenze generali del corso potranno essere anche valutate con prove in itinere e l'esame potrà essere completato alla fine del semestre con un seminario o un esame orale su argomenti a scelta concordati con il docente.

Assessment criteria of knowledge

The knowledge will be assessed by final oral exam. For those students that are interested the general knowledge can be assessed by ongoing tests and assignemnts during classes and the exam can be completed at the end of the semester by a seminar or an oral exam on a topic in agreement with the teacher.

Capacità

Alla fine del Corso lo studente avra' acquisito capacita' di comprensione e di analisi di studi sperimentali, teorici e computazionali nel campo della fisica dei sistemi disordinati e fuori equilibrio.

Skills

At the end of the Course, the student will be able to understand and analyse scientific reports concerning experimental, theoretical and computational studies concerning the physics of disordered and off-equilibrium systems.

Modalità di verifica delle capacità

Le lezioni sono svolte in modo quanto piu' interattivo possibile per verificare che gli studenti acquisiscano le capacita` tecniche e di logica necessarie alla comprensione dei principali aspetti della fisica dei sistemi disordinati e fuori-equilibrio.

Assessment criteria of skills

Interactive lectures will be given to verify that the students are acquiring the technical and logic skills to understand the basic aspects of the physics of the disordered and off-equilibrium systems.

Comportamenti

Sara` acquisita capacita` di analisi e di schematizzazione dei principali aspetti della fisica dei sistemi disordinati e fuori-equilibrio.

Behaviors

The student will be able to analyse scientific studies concerning the basic aspects of the physics of the disordered and off-equilibrium systems.

Modalità di verifica dei comportamenti

Lezioni interattive e prova orale finale.

Assessment criteria of behaviors

Interactive lectures and final oral examination.

Prerequisiti (conoscenze iniziali)

Conoscenze di base in Fisica della Materia e Fisica Statistica.

Prerequisites

Basic knowledge in Condensed-Matter Physics and Statistical Physics.

Indicazioni metodologiche

Lezioni frontali, ricevimenti, utilizzo di e-mail e del sito e-learning per comunicazioni e materiale didattico addizionale.

Teaching methods

Face to face lectures; possibility to discuss personally with the professor once per week; use of e-mail and e-learning site for communication and distribution of additional materials.

Programma (contenuti dell'insegnamento)

Dall’ordine al disordine

Ordine posizionale a lungo raggio non-periodico: quasi cristalli

Disordine in sistemi atomici con ordine posizionale a lungo raggio (disordine cellulare)
- Disordine sostituzionale: impurezze interstiziali e sostituzionali, vacanze
- Disordine orientazionale: cristalli plastici (e.g. fullerene)

Disordine in sistemi atomici senza ordine posizionale a lungo raggio (disordine topologico)
- Elementi di base nei cristalli reali:
  - Dislocazioni e vettori di Burger,
  - Difetti interfacciali.
- Stato liquido e solido amorfo
  - Funzioni di distribuzione a n-corpi, caso particolare di distribuzione a coppia, fattore di struttura statico
  - Liquidi atomici di sfere dure: cenni alla teoria di Percus-Yevick

Disordine in sistemi polimerici
- Conformazioni della catena polimerica lineare: analogia con il Random walk
- Rigidita’ della catena: segmento di Kuhn
- Distribuzione delle dimensioni della catena polimerica lineare
- Energia libera della catena polimerica, elasticita’ entropica
- Funzione di distribuzione a coppia della catena polimerica: autosimilarita’

Dall’equilibrio al fuori equilibrio

Stati metastabili sottoraffreddati e transizione vetrosa nei liquidi
- Funzione di Van Hove e suoi momenti
- Dinamica microscopica e collettiva: effetto gabbia e proprieta’ vibrazionali, rilassamento strutturale e locale, distribuzione di tempi di rilassamento, diffusione, viscoelasticita’
- Modelli elementari della transizione vetrosa:
  - Volume libero
  - Entropia configurazionale

Cenni sulla termodinamica di non-equilibrio
- Principio zero: temperatura fittizia dei vetri, rottura del teorema di fluttuazione-dissipazione
- Secondo principio: uguaglianza di Jarzynski e teorema di fluttuazione di Crooks e loro test sperimentali in nanosistemi

Dinamica della catena polimerica
- Catena corta: modello di Rouse
- Catena lunga: effetto degli aggrovigliamenti
  - Modello a tubo di Edwards
  - Moto di reptazione di De Gennes: argomenti di scala

Cenni sugli stati di non-equilibrio nella materia attiva
- Motori molecolari
- Batteri, nuotatori, sciami: moti collettivi emergenti e transizione vetrosa

Tecniche sperimentali: struttura e dinamica di sistemi disordinati

Scattering da sistemi disordinati: generalità
- Sezioni d’urto di scattering, scattering coerente ed incoerente
- Fattore di struttura statico e dinamico, scattering elastico e anelastico
- Funzioni di correlazione spaziale, temporale e spazio-temporale

Scattering di fotoni (raggi X e luce)
- Sorgenti di radiazione coerente (sincrotrone), spettrometri e rivelatori
- Struttura in sistemi disordinati: diffrazione di raggi X a largo e piccolo angolo
- Dinamica in sistemi disordinati: scattering Brillouin e Raman, scattering anelastico di raggi X, spettroscopia di fotocorrelazione

Scattering di neutroni
- Sorgenti di neutroni, e rivelatori: tipici layout sperimentali.
- Struttura in sistemi disordinati: diffrazione di neutroni a largo e piccolo angolo, confronto con i raggi X.
- Scattering anelastico di neutroni e spettroscopia: TAS, TOF, Backscattering, Spin-Echo

Syllabus

from order to disorder

Long range positional order non-periodical: quasi-crystals

Disorder in atomic systemswith long range positional order (cellular disorder)
- Sostitutional disorder: inetrstitial and substitutional impurities, vacancies
- Orientational disorder: plastic crystals (e.g. fullerene)

Disoder in atomic systems without long range positional order (topological disorder)
- Real crystals base elements:
  - Dislocations and Burger's vector,
  - Interfacial defects.
- Liquid state and amorphous state
  - Distribution functions at n-bodies, particular case of pair distribution, static structure factor
  - Hard sphere atomic liquids: Percus-Yevick theory

Disorder in polymeric systems
- Conformations of linear polymeric chain: analogy with Random Walk
- Chain rigidiy:Kuhn's segment
- Distribution of dimensions of polymeric linear chain
- Free energy of polymeric chain, entropic elasticity
- Pair distribution function of polymeric chain: self-similarity

From equilibrium to out of equilibrium

Metastable supercooled states and glass transition in liquids
- Van Hove function and its momenta
- Microscopic and collective dynamics: cage effect and vibrational properties, local and structural relaxation, relaxation times distribution, diffusion, viscoeleasticity
- Elementary models of glass transition:
  - Free volume
  - Configurational entropy

Elements of non-equilibrium thermodynamics
- Zero Principle: fictive temerature in glasses, violation of fluctuation-dissipation theorem
- Second Principle: Jarzynski's equality and Crooks fluctuation theorem: experimental tests in nano-systems

Polymeric chain dynamics
- Catena corta: modello di Rouse
- Catena lunga: effetto degli aggrovigliamenti
  - Modello a tubo di Edwards
  - Moto di reptazione di De Gennes: argomenti di scala

Cenni sugli stati di non-equilibrio nella materia attiva
- Motori molecolari
- Batteri, nuotatori, sciami: moti collettivi emergenti e transizione vetrosa

Tecniche sperimentali: struttura e dinamica di sistemi disordinati

Scattering da sistemi disordinati: generalità
- Sezioni d’urto di scattering, scattering coerente ed incoerente
- Fattore di struttura statico e dinamico, scattering elastico e anelastico
- Funzioni di correlazione spaziale, temporale e spazio-temporale

Scattering di fotoni (raggi X e luce)
- Sorgenti di radiazione coerente (sincrotrone), spettrometri e rivelatori
- Struttura in sistemi disordinati: diffrazione di raggi X a largo e piccolo angolo
- Dinamica in sistemi disordinati: scattering Brillouin e Raman, scattering anelastico di raggi X, spettroscopia di fotocorrelazione

Scattering di neutroni
- Sorgenti di neutroni, e rivelatori: tipici layout sperimentali.
- Struttura in sistemi disordinati: diffrazione di neutroni a largo e piccolo angolo, confronto con i raggi X.
- Scattering anelastico di neutroni e spettroscopia: TAS, TOF, Backscattering, Spin-Echo

Bibliografia e materiale didattico

Disordine:

K.Binder, W. Kob, Glassy materials and disordered solids (World Scientific, Singapore, 2005)

Fenomeni di non equilibrio:

P.G. Debenedetti, Metastable Liquids (Princeton University Press, Princeton, 1996),

M. Rubinstein, R.H. Colby, Polymer Physics (Oxford University Press, Oxford, 2003)

D.J.Evans, D.J.Searles, S.R.Williams. Fundamentals of Classical Statistical Thermodynamics: Dissipation, Relaxation and Fluctuation Theorems (Wiley-VCH, Weinheim, 2016)

Tecniche di scattering:

D.S. Sivia, Elementary Scattering Theory: For X-ray and Neutron Users (Oxford University Press, 2011

J. A. Nielsen and D. McMorrow, Elements of Modern X-ray Physics (John Wiley & Sons, 2011)

Indicazioni per non frequentanti

Nessuna

Non-attending students info

None

Modalità d'esame

Esame finale orale attraverso colloquio tra il
candidato e il docente anche in forma di domanda/risposta, sui vari
argomenti trattati nel corso.

Assessment methods

Final oral exam with interactive discussion.

Pagina web del corso