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LA GRANDE SFIDA DEL FREDDO: VERSO LO ZERO ASSOLUTO La Fisica Incontra la Città Roma, 4 Febbraio 2015 Sandro Stringari Università di Trento CNR-INO.

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1 LA GRANDE SFIDA DEL FREDDO: VERSO LO ZERO ASSOLUTO La Fisica Incontra la Città Roma, 4 Febbraio 2015 Sandro Stringari Università di Trento CNR-INO

2 E’ PIU’ FACILE RAFFREDDARE O RISCALDARE ?

3

4

5

6 ?

7 Liquefazione dell’ossigeno (-183 ) Luis Cailletet e Raoul Pictet (1877) Gli uomini della preistoria impararono presto a produrre il caldo controllando il fuoco….. Invece, all’inizio del XIX secolo, nessuno sapeva produrre il freddo. Air Liquide (2014) Ossigeno, Azoto, Idrogeno

8 A cosa serve il freddo ?

9 Infinite applicazioni: - Industria alimentare (conservazione e trasporto) - criobiologia e criochirurgia, ibernazione - sport (ghiaccio e neve artificiale) - superconduttori x risonanza magnetica (NMR)

10 LHC-Ginevra Anelli superconduttori

11 Stoccaggio di propellenti (H e O liquido)

12 MAGLEV-Shanghai Treni a levitazione magnetica

13 Scala delle temperature Ultracold atomic gases Big Bang Radiazione cosmica

14 La temperatura più alta T = 4 x K Cern-Ginevra

15

16 La temperatura più bassa T = 4 x K MIT-Cambridge

17 Alcune domande Cosa succede quando la temperatura diventa così bassa ? Come si realizzano queste temperature ?

18 Alle basse temperature le leggi della fisica classica non sono più valide: il moto delle particelle è descritto dalla MECCANICA QUANTISTICA (rivoluzione scientifica del XX secolo) La meccanica quantistica ha modificato i paradigmi tradizionali della conoscenza

19 Alle basse temperature le leggi della fisica classica non sono più valide: il moto delle particelle è descritto dalla MECCANICA QUANTISTICA (rivoluzione scientifica del XX secolo) La meccanica quantistica ha modificato i paradigmi tradizionali della conoscenza E’ alla base delle principali innovazioni tecnologiche moderne

20 laser Fibre ottiche transistor internet Alcune applicazioni fondamentali della meccanica quantistica

21 Chi ha ragione?? Prima risposta sperimentale: esperimento della doppia fenditura (1801) Dibattito scientifico iniziato nel XVII secolo (Newton e Huygens): Un esempio della rivoluzione concettuale introdotta dalla meccanica quantistica: La natura della luce Thomas Young La luce è fatta di particelle La luce è fatta di onde

22 Comportamento ondulatorio osservato nell’esperimento della doppia fenditura

23 Cosa accade se diminuiamo la potenza della sorgente luminosa

24 M cacc mmm La luce è fatta di particelle puntiformi (fotoni) !! Einstein 1905 Foto della luce dopo l’attraversamento delle fenditure (intensità debole)

25 M cacc mmm Foto della luce dopo l’attraversamento delle fenditure (aumentando l’intensità)

26 M cacc mmm Foto della luce dopo l’attraversamento delle fenditure (aumentando l’intensità)

27 M cacc mmm Foto della luce dopo l’attraversamento delle fenditure (aumentando l’intensità)

28 M cacc mmm onde particelle Doppia natura della luce Foto della luce dopo l’attraversamento delle fenditure (intensità debole)

29 La luce esibisce sia la natura corpuscolare che quella ondulatoria I fotoni sono particelle ma arrivono sullo schermo ‘ricordandosi’ di essere un’onda

30 Con le tecnologie moderne dell’ottica quantistica è ora possibile manipolare e studiare le proprietà dei singoli fotoni evitando il loro assorbimento e quindi la loro distruzione Serge Haroche Premio Nobel per la fisica 2012

31 de Broglie wave length momentum - Comportamento simile esibito dagli elettroni e dagli atomi - La meccanica quantistica associa un’onda ad ogni particella (de Broglie, 1923) Planck constant (1900)

32 GAS A TEMPERATURA T Alcuni valori tipici della lunghezza d’onda quantistica Raggio di un atomo Spessore di un capello

33 Quando la temperatura tende verso lo zero la lunghezza d’onda di de Broglie diventa sempre piu’ grande Gli atomi si comportano come onde e “perdono” la loro identità.

34 Alle basse temperature la meccanica quantistica predice un fenomeno nuovo: la Condensazione di Bose-Einstein ( ) Satyendra Nath Bose Albert Einstein

35 W. Ketterle

36 Alcune domande Cosa succede quando la temperatura diventa così bassa ? Come si realizzano queste temperature ?

37 PER REALIZZARE LA CONDENSAZIONE NEI GAS ATOMICI: Tecniche di intrappolamento (atomi lontani dalle pareti, manipolazione tramite campi em) Ultra-vuoto (poche collisioni con gli altri atomi ‘caldi’) Gas fortemente diluiti (né molecole, né aggregati) Temperature ultrabasse (nuovi metodi di raffreddamento) Le grandi sfide tecnologiche della fisica atomica moderna

38 DISPOSITIVO SPERIMENTALE PER LA CONDENSAZIONE (JILA)

39 Una delle prime immagini della condensazione di Bose-Einstein (JILA 1995) Al di sotto di una certa temperatura gli atomi occupano lo stato di energia più bassa (condensato di Bose-Einstein)

40 1997 NOBEL PRIZE IN PHYSICS “per lo sviluppo dei metodi di raffreddamento e di intrappolamento con luce laser” Steven Chu Claude Cohen-Tannoudji William D. Phillips

41 2001 NOBEL PRIZE IN PHYSICS “per la realizzazione della condensazione di Bose-Einstein nei gas diluiti di atomi alkalini” Eric Cornell Wolfgang Ketterle Carl Wieman

42 La condensazione di Bose-Einstein è ora realizzata in molti laboratori in vari paesi del mondo (in Italia: Firenze, Pisa, Trento) Migliaia di ricercatori sono impegnati nelle ricerche teoriche e sperimentali

43 ALCUNE APPLICAZIONI DELLA CONDENSAZIONE DI BOSE-EINSTEIN

44 Interferenza tra due BEC (MIT 1996) Interferometria atomica per misure di alta precisione

45 Lasers ad atomi

46 Hulet et al., Nature 2002 La propagazione dei solitoni

47 I condensati in rotazione producono dei vortici quantistici (piccoli tornado) EFFETTI DI SUPERFLUIDITA’ NEI CONDENSATI Tifone Nuri, Giappone Novembre 2014

48 Vortici quantizzati in un condensato di Bose-Einstein (Jila 2002)

49 La transizione di fase da un superfluido a un isolante: Una nuova fisica dei solidi con gli atomi ultrafreddi

50 Microchips atomici per il calcolo quantistico

51 Theodore Maiman inventore del primo laser nel Chiamato “il padre dell’industria elettro-ottica”. Nel 1960 non esistevano idee precise di applicazioni del laser Le applicazioni piu’ importanti: probabilmente ancora da trovare “Prediction is very difficult, especially about the future” (Niels Bohr) Un esempio famoso: il laser

52 Messaggio finale

53 Il presupposto delle applicazioni tecnolgiche è sempre la ricerca scientifica

54 Il presupposto delle applicazioni tecnolgiche è sempre la ricerca scientifica Alla base della ricerca scientifica vi è sempre - l’idea che non bisogna limitarsi alle verità e alle conoscenze già possedute - un’idea di curiosità, di fantasia e di libertà

55 Il presupposto delle applicazioni tecnolgiche è sempre la ricerca scientifica Alla base della ricerca scientifica vi è sempre - l’idea che non bisogna limitarsi alle verità e alle conoscenze già possedute - un’idea di curiosità, di fantasia e di libertà Per fronteggiare le sfide economiche e culturali del futuro un paese moderno deve investire in ricerca scientifica

56 The Trento BEC team The Trento BEC Lab


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