Il corso è erogato in italiano (modalità predefinita) oppure in inglese (su richiesta e con il consenso degli studenti).
Contenuto del corso
Introduzione alla Fisica degli Atomi Ultrafreddi. Complementi di Fisica Atomica. Effetti meccanici nell’interazione atomo-laser. Teoria del raffreddamento laser. Intrappolamento atomico. Interazioni tra atomi freddi. Gas quantistici ultrafreddi. Reticoli ottici e simulazione quantistica. Orologi atomici. Interferometri atomici. Computer quantistici con singoli atomi intrappolati.
C. Foot
Atomic Physics
(Oxford University Press, 2005)
H. J. Metcalf, P. van der Straten
Laser Cooling and Trapping
(Springer, 1999)
M. Inguscio, L. Fallani
Atomic Physics: Precise Measurements and Ultracold Matter
(Oxford University Press, 2013)
C. Cohen-Tannoudji, D. Guéry-Odelin
Advances in Atomic Physics: An Overview
(World Scientific, 2011)
Obiettivi Formativi
Il Corso si propone di fornire un’introduzione alla fisica degli atomi ultrafreddi. Nella prima parte del corso verranno illustrate le tecniche che consentono di raffreddare gas atomici fino a temperature di pochi nanokelvin, sia descrivendone gli aspetti fisici e le implicazioni teoriche, sia mostrano le tecniche sperimentali e i risultati principali ottenuti in questo campo di ricerca. Nella seconda parte del corso verranno illustrate le applicazioni di tali sistemi nell’ambito delle scienze e delle tecnologie quantistiche, con particolare riferimento alla ricerca condotta presso il Dipartimento di Fisica e Astronomia. Alla fine del corso lo studente avrà acquisito una conoscenza di base dell’argomento, di livello sufficiente per portare avanti un lavoro di tesi sperimentale e/o teorico in questo campo di ricerca.
Prerequisiti
E’ richiesta una preparazione di base in Fisica Atomica, come quella fornita nel corso di “Atomi, Molecole e Fotoni” del CdS. I concetti di base verranno comunque richiamati durante le prime lezioni del corso.
Metodi Didattici
Il Corso si svilupperà con lezioni frontali, in cui il docente illustrerà gli argomenti principalmente facendo uso di lavagna. Durante le lezioni verranno mostrate anche slides con esempi notevoli o risultati significativi nello studio dei gas atomici ultrafreddi, stimolando gli studenti a dare un’interpretazione dei fenomeni proposti, in modalità interattiva. Il corso verrà complementato con delle visite ai laboratori di ricerca, in modo da mostrare agli studenti la realizzazione pratica dei concetti e delle tecniche illustrate durante il corso.
Tutto il materiale del corso verrà messo a disposizione sulla piattaforma di e-learning Moodle (trascrizioni di quanto scritto a lavagna durante la lezione, slides con figure e filmati sperimentali, codici software da utilizzare su base facoltativa per approfondire alcuni argomenti teorici). Verrà fornito anche l’accesso a una collezione di lezioni video (in inglese) che potranno essere utilizzate su base facoltativa come materiale integrativo.
Altre Informazioni
(non presenti)
Modalità di verifica apprendimento
La verifica dell’apprendimento verrà effettuata attraverso un esame orale.
Durante l’esame verrà chiesto allo studente di presentare un argomento a scelta fra quelli discussi durante il corso. Lo studente che volesse approfondire un argomento specifico da esporre in sede di esame potrà farlo, concordando l’argomento con il docente, che fornirà il materiale di studio per l’approfondimento. L’esposizione avverrà di norma davanti a una lavagna, ma è possibile che lo studente utilizzi delle slides come supporto all’esposizione.
Durante l’esame potranno essere rivolte anche domande sugli altri argomenti affrontati a lezione, per valutare la capacità dello studente di contestualizzare l’argomento scelto nell’ambito delle tematiche generali.
Programma del corso
1) Introduzione al corso.
Richiami su effetto Doppler e recoil shift.
2) Breve ripasso delle strutture atomiche.
Spettro degli atomi alcalini. Struttura fine. Struttura iperfine. Transizioni tra livelli e regole di selezione. Effetto Zeeman. Spettro degli atomi a due elettroni (alcalino-terrosi). Stati di singoletto e di tripletto. Accoppiamento LS. Transizioni di intercombinazione.
3) Complementi di interazione coerente luce-atomo.
Accoppiamento coerente luce-atomo. Approssimazione di onda rotante. Dinamica di Rabi. Emissione spontanea. Matrice densità. Equazioni di Bloch ottiche. Traiettorie quantistiche. Vettore di Bloch e sfera di Bloch. Esempi: visualizzazione della dinamica di Rabi, passaggio adiabatico, spettroscopia di Ramsey.
4) Forze radiative.
Introduzione alle forze radiative: scale di energia/tempo e relative approssimazioni. Derivazione completa delle forze radiative nell'interazione atomo-luce. Pressione di radiazione e forza ottica di dipolo. Pressione di radiazione: proprietà e derivazione alternativa. Fluttuazioni della pressione di radiazione: diffusione nello spazio degli impulsi. Forza ottica di dipolo: proprietà generali e interpretazione in termini di spostamento della luce.
5) Raffreddamento laser.
Decelerazione di un fascio atomico. Rallentamento Zeeman. Raffreddamento Doppler (melassa ottica). Temperatura degli atomi raffreddati con il laser. Determinazione sperimentale della temperatura. Limiti del raffreddamento Doppler. Introduzione al raffreddamento SubDoppler. Gradienti di polarizzazione. Interazione atomo-luce in sistemi a molti livelli. Dipendenza della frequenza di Rabi dal momento angolare. Pompaggio ottico. Transizioni aperte e chiuse. Raffreddamento di Sisifo. Limite di temperatura nel raffreddamento subDoppler. Configurazioni sperimentali di raffreddamento laser con atomi reali. Temperatura di rinculo. Raffreddamento Raman.
6) Trappole atomiche.
Introduzione alle trappole atomiche. Trappola magneto-ottica (MOT). Realizzazione sperimentale di MOT: temperatura e numero di atomi intrappolati. Trappole magnetiche: proprietà generali, trappola di quadrupolo, perdite di Majorana. Trappole ottiche di dipolo: proprietà generali, geometrie comuni di trappole ottiche, intrappolamento con modulatori spaziali di luce (cenni).
7) Interazioni atomo-atomo a bassa temperatura.
Potenziali di interazione. Breve richiami di teoria quantistica dello scattering. Sviluppo in onde parziali. Scattering quantistico a bassa energia: scattering in onda s e lunghezza di scattering. Dipendenza della lunghezza di scattering dai parametri del potenziale. Barriera di potenziale. Buca di potenziale. Effetto degli stati legati. Misura delle lunghezze di scattering. Scaling con la massa isotopica. Risonanze di Feshbach: principi generali. Scattering di particelle identiche. Collisioni anelastiche. Raffreddamento evaporativo.
8) Gas quantistici ultrafreddi.
Richiami sulle distribuzioni di Bose-Einstein e di Fermi-Dirac. Densità nello spazio delle fasi. Condensazione di Bose-Einstein (BEC) in un potenziale armonico. Osservazione sperimentale della BEC. Gas di Bose debolmente interagente ed equazione di Gross-Pitaevskii. Proprietà di coerenza quantistica dei BEC atomici. Esperimenti di interferenza con BEC. Proprietà superfluide dei BEC. Osservazione sperimentale della velocità critica in un BEC e della formazione di vortici. Raffreddamento simpatetico. Gas di Fermi ultrafreddi. Breve introduzione sulla condensazione di fermioni interagenti: superfluidità, superconduttività, crossover BEC-BCS.
9) Reticoli ottici.
Proprietà generali dei reticoli ottici. Brevi richiami sulla teoria di Bloch. Condensati di Bose-Einstein in reticoli ottici. Bande di energia. Trasporto di atomi freddi in reticoli ottici e oscillazioni di Bloch. Modelli di tight binding. Due esempi di simulazione quantistica con atomi freddi in reticoli ottici: Localizzazione di Anderson e transizione superfluido-Mott.
10) Orologi atomici.
Introduzione alla spettroscopia di alta precisione e agli orologi atomici. Orologi atomici a microonde: Spettroscopia Ramsey e orologi atomici a fontana. Orologi atomici ottici. Transizioni ultrastrette e laser ultrastretti. Spettroscopia nel regime di Lamb-Dicke. Orologi ottici a reticolo e lunghezze d'onda magiche. Discussione di alcuni effetti sistematici: spostamento della radiazione di corpo nero e redshift gravitazionale.
11) Interferometria atomica.
Introduzione agli interferometri atomici. Interferenza di Ramsey-Bordé. Gravimetri atomici. Oscillazioni di Bloch come interferometri atomici.
12) Introduzione agli esperimenti con singoli atomi intrappolati.
Intrappolamento e manipolazione di singoli atomi. Atomi di Rydberg in array di optical tweezers e loro applicazioni.