laser - Quantum Optics Group

LASER
Light Amplification by
Stimulated
Emission of Radiation
Amplificazione della luce per emissione
stimolata di radiazione
Qual’è la differenza fra la luce
normale e la luce LASER ?
• La monocromaticità e la lunghezza d’onda
La lunghezza d’onda specifica il colore della luce emessa dal
LASER e la monocromaticità specifica la “purezza” del colore.
La luce bianca, come la luce emessa dal Un LASER emette solo in una regione
Sole o da una lampadina, è composta da estremamente piccola dello spettro.
tutti i colori.
632,80nm < < 632,81nm
400 nm < < 800 nm
LASER
Qual’è la differenza fra la luce
normale e la luce LASER ?
• La divergenza
Normali sorgenti di luce emettono onde in tutte le direzione.
Diversamente il LASER emette radiazione solamente in una
direzione ben definita.
LASER
Qual’è la differenza fra la luce
normale e la luce LASER ?
• L’intensità indica quanta luce è presente al secondo.
In un LASER tutta la potenza emessa è raccolta su una
regione di spazio molto piccola
• LASER in regime continuo
•
regime impulsato
LASER
LASER
Come funziona il LASER ?
Schema di un LASER
• I) Mezzo attivo: mezzo (gas, cristallo,
liquido) che emette la luce
• II) Sistema di pompaggio: fornisce energia
al mezzo attivo
• III) Cavità ottica: trappola per la luce
I) Il mezzo attivo
Atomo: livelli energetici
• Atomo: livelli energetici quantizzati
Energia E1
Livello fondamentale, a riposo
Atomo: livelli energetici
• Atomo: livelli energetici quantizzati
Energia E2
Livello eccitato
Energia E1
Livello fondamentale, a riposo
E2 > E 1
Interazione fra atomo e
radiazione: assorbimento
• Atomo nel livello energetico E1
Fotone di
energia E2 – E1
E2
E1
Assorbimento
• Atomo nel livello energetico E2
Fotone di energia E2 – E1
E2
assorbito
E1
Emissione spontanea
• Atomo nel livello energetico E2
E2
E1
Emissione spontanea
• Atomo nel livello energetico E1
E2
E1
Emesso fotone di
Energia E2 – E1
Emissione spontanea
• Sfruttata in tutte le sorgenti quali lampadine, LED,
televisore, fuoco
Mezzo viene eccitato elettronicamente (televisore)
o termicamente (fuoco)
• Isotropica (luce emessa in tutte le direzioni)
• Larghezza di riga (spettro di lunghezza d’onda)
lampadina emette onde di tutte le lunghezze d’onda
Emissione stimolata
• Atomo nel livello energetico E2
E2
Fotone di
energia E2 – E1
E1
Emissione stimolata
• Atomo nel livello energetico E1
E2
E1
2 fotoni di
energia E2 – E1
Emissione stimolata
per amplificare la luce
E2
E1
Emissione stimolata
per amplificare la luce
E2
E1
Amplificazione dovuta all’emissione stimolata
alla base del funzionamento del LASER
I) Il sistema di pompaggio
Come si portano gli atomi dal
livello energetico E1 al livello E2
Sistema di pompaggio: fornisce energia al
mezzo attivo
• Eccitazione elettronica (corrente, scariche
elettriche)
• Pompaggio ottico (lampade molto intense)
Mezzo con inversione di popolazione
Mezzo con inversione
di popolazione: il Rubino
Pompaggio
ottico
E2
Livello
eccitato
Livello
E1 fondamentale
III)
La cavità ottica
Cavità ottica
Specchio con
Riflettività del 100 %
Specchio con
Riflettività < 100 %
Luce intrappolata
Primo LASER: 1960
Emissione
spontanea
Emissione
stimolata
Università di Malibu, California
Prof. Maiman (1960)
Premi Nobel per il LASER
Premio Nobel per la Fisica del 1964 :
Nikolai Gennadievich Basov (Russia)
Alexander Mikhailovich Prokhorov (Russia)
“ per la ricerca di base nel campo della fisica sperimentale,
che ha portato alla scoperta del maser e del laser“
Charles Hard Townes (USA)
“per il lavoro fondamentale nel campo dell’elettronica quantistica, che ha portato alla
costruzione di oscillatori ed amplificatori basati sul principio del maser-laser"
Premio Nobel per la Fisica del 1981:
Nicolaas Bloembergen (USA)
Arthur L. Schawlow (USA)
“per il loro contributo alla sviluppo della spettroscopia laser"
LASER a gas
Gas
Potenza
di picco
Lunghezz Utilizzo
a d’onda
He-Ne 1 mW
633 nm
Scanner del supermercato
Argon 10 W
488 nm
Effetti speciali discoteche
Utilizzo Medicale
CO2
10.6
10.6
200 W
5 mW
m Taglio ed incisione
m Trattamento della pelle
Litografie
LASER a CO2
Potenza superiore a 200 W
Tagli ed incisioni di materiali
Medicina
Sono molti i vantaggi del bisturiLASER, un vero e proprio bisturi di
luce, in grado di tagliare e nello stesso
tempo di coagulare i vasi sanguigni.
LASER a semiconduttori
Materiale
Potenza di picco
Lunghezza d’onda
Utilizzo
GaAs
5 mW
840 nm
Lettori CD
AlGaAs
50 W
760 nm
Stampanti
1.3
Communicazioni in fibra ottica
GaInAsP 10 mW
Mezzo
attivo
m
Emissione
luce
Specchi
LASER a semiconduttori
Comunicazioni in fibra ottica
Fibra ottica
Invenzione: inizio anni ’70
Luce intrappolata all’interno del “cuore” della
Fibra (core) della dimensioni di alcuni m
capello umano
≈ 70 m
CD-ROM
Compact Disc - Read Only Memory
-Informazione codificata con i bits, che assumono i
valori 0 o 1.
-Incisioni di dimensioni di alcuni
m su un supporto
-Lettura delle incisioni mediante LASER
Monitoraggio ambientale:
LIDAR
LIght Detection And Ranging
I)
I)
Un fascio LASER
è spedito nell’atmosfera
Si rivela la porzione
di fascio riflesso
Applicazioni
I) Studio ambientale, inquinamento,
ozono
I)
Analisi meteorologiche
II) Ricostruzioni topografiche
Monitoraggio ambientale:
LIDAR
LIght Detection And Ranging
Fascio LASER
= 532 nm
Il LASER:
strumento fondamentale
per lo studio dei fenomeni
quantistici
Il LASER per raffredare gas di atomi
a temperature estremamente basse
Superficie del sole
Ebollizione dell’acqua
Temperatura ambiente
Congelamento dell’acqua
Liquefazione dell’azoto
Liquefazione dell’4He
Temperatura dello spazio
Doppler cooling
Typical laser cooling
Refined laser cooling
6000 K
373.15 K
295 K circa
273.15 K
77.36 K
4.215 K
3.1 K
0.0001 K (100µK)
0.00001 K (10µK)
<0.00000017 K
(170nK)
T = 0 K zero assoluto
Fisica Atomica: LASER cooling
Il LASER cooling è un metodo per raffredare un gas,
tipicamente atomi di metallo a bassa di temperatura (Rubidio,
Sodio, Cesio) a temperature di alcuni K.
Fisica Atomica: LASER cooling
Temperatura raggiunta 2.5
K
Premio Nobel per la Fisica 1997
Steven Chu, Stanford University, Stanford, USA
Claude Cohen-Tannoudji, College de France
William D. Phillips, National Institute of Standards, USA
“per lo sviluppo delle tecniche di raffredamento e
intrappolamento degli atomi con luce laser."
Bose Einstein Condensation
LASER
I fotoni di un LASER sono identici
Si trovano nello stesso stato
Fenomeno di natura quantistica
Si può osservare lo stesso fenomeno per gli atomi ma ad una
temperatura estremamente bassa
(a circa 100 nK)
Questo fenomeno si chiama condensazione di Bose-Einstein
T = 100 nK
Gas di atomi
Condensato di Bose-Einstein
Bose Einstein Condensation
Diminuzione della Temperatura
Bose Einstein Condensation
20 mSec Time-of-Flight absorption image of 5x104 Rubidium
atoms in a Bose Condensate (T ~ 100 nK)
Premio Nobel per la Fisica del 2001 :
Eric Cornell (USA)
Wolfgang Ketterle (USA)
Carl Weiman (USA)
Nobel Prize in Physics
Winners 2005
(
ROY J. GLAUBER for his contribution to the quantum theory
of optical coherence
and one half jointly to
JOHN L. HALL and THEODOR W. HÄNSCH for their
contributions to the development of laser-based precision
spectroscopy, including the optical frequency comb technique
Nobel Prize in Physics
Winners 2012
(
SERGE HAROCHE and DAVID J. WINELAND for groundbreaking experimental methods that enable measuring and
manipulation of individual quantum systems
Futuro: Informazione quantistica
Teletrasporto di un fotone
BOB
S
ALICE
EN IA C (1 9 4 6 )
E le c tr o n ic N u m e r ic a l
In te g ra to r A n d C o m p u te r
1 8 . 0 0 0 v a lv o le t e r m o io n ic h e ,
3 0 t o n n e lla t e ,
180 m q
O G G I ...
T ia n h e -1 A
(2 0 1 0 )
S u p e rco m p u te r
O p e r a z io n i p e r s e c o n d o 1
P e t a F lo p s
I-P h o n e 4 s (2 0 1 2 )
RAM 512 M b
B r e a k in g n e w s !
F ebruary 19, 2012
INTERFERENCE
“…the heart of quantum mechanics.
In reality it contains the only
mystery ...”
R.P. Feynman (1965)
Single particle interference
(classical prediction)
A
Sorgente
B
Probability
of detecting
the particle
P(x) = PA(x) + PB(x)
Quantum interference
A
B
The particle passes through both slits!
Interference
fringes
Electrons passing through 2 slits
N = 10
N = 100
N = 3000
N = 20000
N = 70000
“We choose to examine a phenomenon which is impossible,
absolutely impossible, to explain in any classical way,
and which has in it the heart of quantum mechanics.
In reality, it contains the only mystery.
We cannot make the mystery go away by explaining how it
works...”
R. Feynman
Superposition of two orthogonal states
What about macroscopic objects?
Fullerene C60
?
Fullerene C60
C168H94F152O8N4S4
430 atomi
“A phenomenon is not a phenomenon until
is a measured phenomenon…”
J. A. Wheeler
“Esiste la luna in cielo se io non la
guardo ?”
A. Einstein
Esistono le “proprietà oggettive”, gli
“elements of physical reality” ?
A. Einstein
“It from bit”
J.A.Wheeler
La realtà è creata anche dalle nostre domande,
ovvero dall'informazione acquisita.
L’osservazione perturba il fenomeno:
[“Indeterminazione di Heisenberg”]
Einstein:
« Dio non gioca a dadi »
The theory yields a lot, but it hardly brings us any
closer to the secret of the Old One.
In any case I am convinced that He does not throw
dice.
(Einstein to Max Born, 4 December 1926)
L'interpretazione di Copenhagen
della Meccanica Quantistica:
“Lo scopo della nostra descrizione della natura non
è il cercare l’essenza reale dei fenomeni ma soltanto
l’indagare con la massima profondità possibile le
relazioni tra i molteplici aspetti della nostra
esperienza.”
Niels Bohr (1934)
FAPP interpretation (For All Practical Purposes)
Per tutti i fini pratici
« While we have shown that the wave function
does not provide a complete description
of the physical reality, we left open the question
of whether or not such a description exists.
We believe, however, that such a theory is possible. »
Paradosso EPR
per dimostrare che la Meccanica Quantistica
NON è la teoria definitiva
viene introdotto il concetto di entanglement
Entanglement:
intreccio, groviglio
« I would not call entanglement one but rather
the characteristic trait of quantum mechanics,
the one that enforces its entire departure
from classical lines of thought. »
E. Schroedinger (1935)
Quantum Nonlocality
...non importa quanto spazio intercorra tra due particelle
correlate attraverso l'entanglement. Queste comunicheranno
fra di loro come se non ci fosse alcuno spazio...
« spooky action at distance »
... azione spettrale a distanza...
Quanto veloce ?!?
… se fosse un'azione a distanza..
sarebbe almeno 104 più veloce della luce
… ma non può essere usato per comunicare
in modo diretto!!
Quantum nonlocality test inside the lab...
...or outside the lab
… fino al teletrasporto quantistico...
Cosa si teletrasporta ?
La funzione d'onda
… long range quantum teleportation
“Information is physical”
R. Landauer
Information processing
governed by physics laws
L'evoluzione dellaQubit
Information Technology
BIT
1879
2020
1986
i386
1 micron
BIT:
QU-BIT:
1 nanometro
Variabile dicotomica
0
o
1
QUBITQubit
(Quantum Bit)
Quantum Register
3-bit Register
Classical: can store exactly one of the eight different
numbers, 000, 001, 010, ….., 111
Quantum: can store up to eight numbers in a quantum
superposition of N qubits: up to 2N numbers at once
Classical Bit
0 or 1
Quantum Bit
0, 1,
0
Classical Register Quantum Register
1
101
000
010
100
110
001
011
101
111
By 2015 a single electron can be confined in a transistor
Example: factorizing a 1024-digit number:
- Classical computer takes a period > universe lifetime
- Quantum computer could find the answer in 1sec....
(P.W. Shor 1994)
Quantum Computation
Experimental realization entangled photon states
Implemented by spontaneous parametric down conversion (SPDC)
In type I crystals photon pairss are created over conical
regions and with equal polarization, orthogonal to the pump
one
SPDC:
Low generation probability
Non-deterministic process
Energy conservation:
Momentum conservation:
Degenerate emission:
Photonic quantum simulators
Quantum phenomena with
macroscopic systems?
Il paradosso del
gatto di Schroedinger
(
)
Atomo
Atomo non
Gatto
Gatto
decaduto
decaduto
vivo
morto
Non si osservano gatti vivi e morti allo stesso tempo!
Interazione con l’ambiente: perdita di coerenza
Stato di sovrapposizione
(vivo e morto)
mistura statistica
(vivo o morto)
La frontiera fra il mondo classico e quello quantistico
Zurek, Physics Today, October 1991, page 38