MICRA Misure Interferometriche di forze a corto range con reticoli atomici Obiettivo: Studio della forza superficie-atomo su scala micrometrica mediante.

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1 MICRA Misure Interferometriche di forze a corto range con reticoli atomici Obiettivo: Studio della forza superficie-atomo su scala micrometrica mediante tecniche interferometriche basate su gas atomici quantistici. - Test sulla presenza di forze gravitazionali non-newtoniane. - Studio delle forze di tipo elettromagnetico: Casimir-Polder e fluttuazioni termiche del campo elettromagnetico.

2 Firenze: progettazione e realizzazione dell’esperimento (responsabile locale: G. Modugno) Trento: teoria della forza superficie-atomo e dinamica dei gas ultrafreddi (responsabile locale S. Stringari) Responsabile nazionale: M. Inguscio R&D: Cataliotti+Minardi, SQUAT-Super (Sensori Quantistici con ATomi per Superfici), Comm. V (LNS-Catania + Firenze) (superfici e interazioni) Collaborazione col JILA, Boulder-Colorado (E.Cornell). Struttura del progetto

3 S. Dimopulos and A. A. Geraci, Phys. Rev. D 68, 124021 (2003). 10 -10 g 10 -7 g Principio dell’esperimento Obiettivo MICRA:  g = 10 -7 g  x = 2  m

4 gli autostati del sistema sono equispaziati in energia e il loro interferogramma oscilla: Principio dell’esperimento gas atomico quantistico in un potenziale periodico sottoposto ad una forza costante (Bloch oscillations)

5 g Bloch oscillations of 40 K fermions trapped in a vertical optical lattice in presence of gravity G.Roati, E. De Mirandes, F.Ferlaino, H.Ott, G.Modugno, M.I. Phys.Rev.Lett. 92, 230402 (2004) Bloch oscillations with fermions

6 Principio dell’esperimento Carusotto, Pitaevskii, Stringari, Modugno, Inguscio, PRL 95, 093202 (2005). Una misura del periodo di oscillazione al variare della distanza dalla superficie permette di eliminare il contributo della gravità terrestre

7 Forze gravitazionali non-newtoniane Alternating dense metal stripes + dielectric Casimir screen Masse sorgenti alternate: modulazione spaziale della forza gravitazionale Schermo dielettrico: forza di Casimir costante e buone proprietà della superficie S. Dimopulos and A. A. Geraci, Phys. Rev. D 68, 124021 (2003)

8 Interferometria : dal gas di Fermi alla BEC ideale 2004: Gas di Fermi ideale  x  50  m Sensibilità:  g/g <10 -4 time momentum Fattori, Roati, Modugno, Inguscio, PRL 100, 080405 (2008) 2007: Gas di Bose ideale  x  2  m Sensibilità:  g/g  6  10 -6 2006: Gas diluito (Sr, Tino)  x  12  m Sensibilità :  g/g  5  10 -6 Ferrari, Poli, Sorrentino, Tino, Phys. Rev. Lett. 97, 060402 (2006). Roati, de Mirandes, Ferlaino, Ott, Modugno, Inguscio, PRL 92, 230402 (2004).

9 39 K BEC with tunable interactions Roati et al Phys.Rev.Lett. 99, 010403 (2007).  a = 0.06 a 0 K 3 =1.3(5)  10 -29 cm 6 s -1 Roati, et al. “39K Bose-Einstein condensate with tunable interactions” PRL. 99, 010403 (2007); D’Errico et al. “Feshbach resonances in 39K” New. Jour. Phys. 9, 223 (2007).

10 Interferometria con gas di Bose ideale Sensibilità: 6  10 -6 g per shot (10 -7 g ottenibile)  g/g = [  x/(x bragg ) / N osc ] 100 a 0 0.5 a 0 0 ms 0.4 ms 0.8 ms 1.2 ms 1.6 ms 2 ms 2.4 ms 2.8 ms 3.2 ms 3.6 ms 4 ms Fattori, Roati, Modugno, Inguscio, PRL 100, 080405 (2008)

11 Antezza et al. Phys. Rev. A 70, 053619 (2004) Forze elettromagnetiche Radiation from the substrate Radiation from environment van der WaalsCasimir-Polder thermal (Lifshitz) Casimir Polder Lifshitz

12 Casimir-Polder fuori dall’equilibrio termico Possibilità di ridurre la forza di Casimir-Polder per T E >T S M. Antezza, et al, PRL. 95, 093202 (2005); M. Antezza, et al, PRL. 97, 223203 (2006). Radiation from the substrate Radiation from the environment (cell)

13 Manipolazione magnetica del campione Laser Ultra stabile riflesso sulla superficie. Nuovo apparato Superficie carbone + laser riscaldante Strisce alternate di diversa densità + Schermo Dielettrico Casimir Caratteristiche: Manipolazione magnetica del campione vicino alla superficie Possibiltà di riscaldare e raffreddare la superficie Materiali con densità alternata per migliorare l’accuratezza

14 First prototype 2003 Photoresist 5  m Second prototype 2004 Epoxy Glue 50  m Third prototype 2005 Glue + Silica 100  m Present system Mechanically held silica 100  m New system Mechanically held silica 100  m SQUAT - Super ( Sensori QUantistici con Atomi per Superfici), Firenze

15 Risultati principali attività di ricerca 2008 Studio della sensibilità estrema dell’interferometro nell’apparato esistente (reticolo con laser metrologico…) Interazione Dipolare: misura e controllo Manipolazione delle dimensioni spaziali del probe atomico nel reticolo, azzeramento delle interazioni Localizzazione di Anderson per un onda di materia Fattori et al (Phys Rev Lett submitted) Roati, D’Errico, Fallani, Fattori, Fort, Zaccanti, Modugno, Inguscio, Nature 453, 895, (2008) Inizio costruzione nuovo apparato TRENTO TEORIA: Substrati metallici, Heisenberg limited interferometry

16 Interferometria atomica con risoluzione Sub shot noise ? Goal: Interferometria al limite Heisenberg con risoluzione Interferometria classica con risoluzione shot noise 1° Fase Nella fase preparatoria del campione atomico usare l’interazione per creare stati “entangled” (Mott Insulator) 2° Fase Successivamente portiamo l’interazione a zero e attiviamo l’interferometro INGREDIENTE FONDAMENTALE Lavorare con un gas con interazione tunabile L. Pezzè and A. Smerzi, Phys. Rev. A 72, 043612 (2005) L. Pezzè and A. Smerzi, Phys. Rev. Lett. 100, 073601 (2008) Gruppo teorico di Trento

17 Interazione dipolare magnetica: esperimento Fattori et al submitted to PRL

18 Anderson localization of a non-interacting Bose-Einstein Condensate Roati, D’Errico, Fallani, Fattori, Fort, Zaccanti, Modugno, Inguscio, Nature 453, 895, (2008)

19 Il condensato è confinato in un potenziale armonico + potenziale disordinato La localizzazione di Anderson avviene su due siti reticolari Il campione iniziale assume una dimensione di circa 1  m Studio delle proprietà di trasporto in un potenziale disordinato Roati, D’Errico, Fallani, Fattori, Fort, Zaccanti, Modugno, Inguscio, Nature 453, 895, (2008)

20  =0  J=1  J=7 Ballistic expansion with reduced velocity Ballistic expansion: Absence of diffusion:

21 Expansion in the bichromatic lattice Size of the condensate after 750 ms expansion in the bichromatic lattice: Scaling law: onset of localization only depends on  /J!

22 Nuovo apparato MOT of Rb MOT of K Dual MOT Rb+K

23 Nuovo laboratorio- ottobre 2008

24 Nuovo laboratorio

25

26 FIRENZE Massimo Inguscio (resp nazionale)PO 70% Giovanni Modugno (resp locale)PA 70% Giacomo RoatiRic CNR100% Marco FattoriCentro Fermi 80% Michele ModugnoRic 40% Leonardo FallaniRic.Univ. 40% Chiara FortRic.Univ.100% TRENTO Sandro Stringari (resp locale)PO 40% Lev PitaevskiiPO 30% Iacopo CarusottoRic. CNR 20% Francesco BarianiDott.100% Augusto SmerziRic CNR 40% Partecipanti

27 Giustificazione richieste MICRA per il 2009 Materiale inventariabile Telecamera CCD per effettuare imaging ad alta risoluzione 7900 + iva Trasduttore per la stabilizzazione della corrente nelle bobine per la generazione del campo Feshbach 2880 + iva Generatore RF per il trasferimento degli atomi nello stato fondamentale 8450 + iva Misuratore di lunghezza d’onda per misura lunghezza d’onda laser del reticolo 22200 + iva Totale49700 Costruzione apparati Sistema Laser (da completare, assemblare e rendere operativo) 50000 + iva Totale60000

28 Programma di lavoro 06/2009: Studio della sensibiltà ultima dell’interferometro con l’apparato originale con laser metrologico 12/2009: Completamento nuovo apparato 2010: Presa dati ed analisi teorica 200820092010 Costruzione apparato 8060(50) Inventariabile: strumentazione elettronica e 95 (55)40(30)40 Consumo: materiale ottico, elettronico, etc. 30 (25)30(10)30 Missioni interne 5 (4)5(2)5 Missioni estere 14 (5)3(2)10 Spese di calcolo 5(2)5 TRENTO 2+2