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

E’ PIU’ FACILE RAFFREDDARE O RISCALDARE ?

?

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

A cosa serve il freddo ?

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

LHC-Ginevra Anelli superconduttori http://www.wou.edu/~rmiller09/superconductivity/ LHC-Ginevra Anelli superconduttori

Stoccaggio di propellenti (H e O liquido)

MAGLEV-Shanghai Treni a levitazione magnetica

Scala delle temperature Big Bang Radiazione cosmica Ultracold atomic gases

La temperatura più alta T = 4 x 1012 K Cern-Ginevra

La temperatura più bassa T = 4 x 10-10 K MIT-Cambridge

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

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

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

Alcune applicazioni fondamentali della meccanica quantistica laser Fibre ottiche internet transistor

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

Comportamento ondulatorio osservato nell’esperimento della doppia fenditura

Cosa accade se diminuiamo la potenza della sorgente luminosa

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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.

la Condensazione di Bose-Einstein (1924-1925) Alle basse temperature la meccanica quantistica predice un fenomeno nuovo: la Condensazione di Bose-Einstein (1924-1925) Satyendra Nath Bose Albert Einstein

W. Ketterle

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

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

DISPOSITIVO SPERIMENTALE PER LA CONDENSAZIONE (JILA)

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)

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

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

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

ALCUNE APPLICAZIONI DELLA CONDENSAZIONE DI BOSE-EINSTEIN

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

Lasers ad atomi

La propagazione dei solitoni Hulet et al., Nature 2002

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

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

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

per il calcolo quantistico Microchips atomici per il calcolo quantistico

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

Messaggio finale

Il presupposto delle applicazioni tecnolgiche è sempre la ricerca scientifica

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

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

The Trento BEC team The Trento BEC Lab http://bec.science.unitn.it stringar@science.unitn.it