Termodinamica Livelli energetici atomici Laser cooling: principi

y Termodinamica y Livelli energetici atomici
y Laser cooling: principi
y Evaporative cooling: principi
p
g p
p
y Applicazioni:
y Test dei fondamenti della meccanica quantistica q
y Misure di precisione
y Creazione di stati “esotici” di materia
y Quantum Simulators ‐ Quantum Information
y I principi della termodinamica:
principi della termodinamica
y Due sistemi messi a contatto finiscono per raggiungere D i t i i t tt fi i
i
la stessa temperatura (principio zero)
y Il calore è una forma di energia (primo principio)
y Il calore è una forma di energia meno nobile delle altre
(
(secondo principio)
p
p )
y Non è possibile raggiungere lo zero assoluto (terzo principio)
y Il principale meccanismo di raffreddamento di un corpo avente temperatura T si basa sul principio zero della termodinamica
y La temperatura della radiazione di fondo dell’universo è di 3
circa 3 K
y Temperature minori di 3 K sono difficilmente presenti nell’universo
y Raggiungere temperature minori di 3 K in laboratorio richiede uno sforzo particolare, ma porta alla scoperta di fenomeni nuovi e insoliti
y La transizione da livelli di energia maggiore a quelli di energia minore (decadimento) avviene per
y Emissione spontanea
y Emissione stimolata
y La transizione inversa (
(assorbimento) è solo )
stimolata
y La frequenza della luce assorbita o emessa dipende bi di
d dalle energie dei livelli a o c co o
atomici coinvolti
y Per atomi carichi (ioni) si y Per atomi neutri si usano sfruttano campi statici e oscillanti
campi magnetici e fasci laser
y Fasci laser di frequenza Fasci laser di frequen a opportuna (quasi risonante) sono diretti sull atomo in sono diretti sull’atomo in moto
y La frequenza vista q
dall’atomo è più alta quando va incontro alla radiazione e più bassa quando se ne iù b
d allontana (effetto Doppler)
y L’energia persa dall’atomo nel L’
i d ll’ t
l processo di emissione è maggiore di quella acquisita nel processo di assorbimento.
y L
L’energia in più viene energia in più viene dall’energia cinetica dell’atomo
dell
atomo, che dunque che dunque rallenta e si raffredda.
y I fotoni assorbiti hanno tutti la stessa quantità di moto
y I fotoni emessi hanno direzione casuale (rinculo atomico ,
casuale, diffusivo come il moto browniano) y In media, la velocità dell’atomo diminuisce; funziona fino al limite di diffusione
TD=ħ/(2kBτ) ~ 200 μK
y All
All’ini
inizio degli anni io degli anni ‘90 sono 90 sono stati registrati i primi casi di raffreddamento sub Doppler
raffreddamento sub‐Doppler
y La spiegazione sta nella p
complessità dei livelli energetici (molti livelli coinvolti)
y Premi Nobel 1997: Claude Cohen‐Tannoudji, Steve Chu, Bill Phillips
Bill Philli
y Limite di rinculo:
TR=ħ
ħ2/mk
/ kBλ2 ~ 1 μK
K
y Il raffreddamento per evaporazione è una tecnica diversa dal laser cooling.
y Avviene in trappole magnetiche, dove solo alcuni stati atomici restano intrappolati
y Con impulsi rf
p
si cambia stato agli atomi più caldi che vanno via (evaporano)
y Si raggiungono temperature Si i
dell’ordine di 10 nK
y “Spesso negli esperimenti Spesso negli esperimenti pensati assumiamo di condurre esperimenti su un singolo atomo, il che comporta conseguenze ridicole; è bene quindi affermare che non possiamo fare esperimenti con singoli atomi così come non singoli atomi, così come non possiamo allevare dinosauri negli zoo” E. Schrödinger, 1952
negli zoo
E. Schrödinger, 1952
y A fine anni A fine anni ‘70 sono 0 sono stati realizzati esperimenti con singoli atomi intrappolati.
y Negli anni ‘90 sono stati realizzati stati atomici fortemente i i f
quantistici (stato fondamentale o a fondamentale o. a., stati “squeezed”, “gatti g ,
)
di Schrödinger”, ecc.)
y Gli atomi ultrafreddi sono ideali per misurare con Gli t i lt f ddi id li i
precisione i loro parametri fisici fondamentali (frequenze di transizione momenti magnetici durata (frequenze di transizione, momenti magnetici, durata di intervalli temporali, ecc.)
y Misure precise sono Mi
i richieste per definire gli standard e unità di misura e testare teorie cosmologiche
y Misure precise sono sempre più necessarie nella tecnologia moderna (e g tecnologia moderna (e.g., GPS)
y Premi Nobel 2005: J. Hall, T. Premi Nobel 2005: J Hall T W. Haensch
y Nel 1995 sono stati realizzati i primi “condensati di Bose‐
condensati di Bose
Einstein” (BEC), uno stato della materia previsto teoricamente nel 1925. In un BEC tutti gli atomi hanno la stessa funzione d’onda.
y Premi Nobel 2001: E. Cornell, C. Wieman, W. K
Ketterle
l
y Nel 2001 è stato ottenuto il primo “gas di Fermi” (
(analogo del BEC per g
p
fermioni).
y Meccanismi di accoppiamento tra fermioni sono alla base della superconduttività
y Coesistenze spaziali di diversi gas di Fermi e BEC promettono “nuova fisica”
I condensati sono superfluidi (fluidi privi di di attrito)
i )
y Con i gas ultrafreddi possiamo realizzare sistemi fisici che “simulano” altri sistemi, più difficili da studiare (
(atomi fermionici
i f
i i i in i reticolo ottico = elettroni in un reticolo cristallino)
y Sono più controllabili
y Sono più accessibili
y Range di parametri più estesi
y La codifica dell’unità di L difi d ll’ ità di y Esperimenti “fantascientifici”: E
i
ti “f t i tifi i” informazione in bit il teletrasporto
quantistici consente progressi impossibili con bit classici
y Crittografia intrinsecamente sicura
y Nuovi algoritmi intrinsecamente più veloci
G i l’ tt
Grazie per l’attenzione!
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