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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
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E’ PIU’ FACILE RAFFREDDARE O RISCALDARE ?
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?
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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 ( ) Luis Cailletet e Raoul Pictet (1877) Air Liquide (2014) Ossigeno, Azoto, Idrogeno
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A cosa serve il freddo ?
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Infinite applicazioni:
Industria alimentare (conservazione e trasporto) criobiologia e criochirurgia, ibernazione sport (ghiaccio e neve artificiale) superconduttori x risonanza magnetica (NMR)
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LHC-Ginevra Anelli superconduttori
LHC-Ginevra Anelli superconduttori
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Stoccaggio di propellenti
(H e O liquido)
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MAGLEV-Shanghai Treni a levitazione magnetica
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Scala delle temperature
Big Bang Radiazione cosmica Ultracold atomic gases
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La temperatura più alta
T = 4 x 1012 K Cern-Ginevra
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La temperatura più bassa
T = 4 x K MIT-Cambridge
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Alcune domande Cosa succede quando la temperatura diventa così bassa ?
Come si realizzano queste temperature ?
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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
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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
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Alcune applicazioni fondamentali della meccanica quantistica
laser Fibre ottiche internet transistor
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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
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Comportamento ondulatorio osservato
nell’esperimento della doppia fenditura
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Cosa accade se diminuiamo la potenza della sorgente luminosa
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Foto della luce dopo l’attraversamento delle fenditure (intensità debole)
M cacc mmm La luce è fatta di particelle puntiformi (fotoni) !! Einstein 1905
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Foto della luce dopo l’attraversamento delle fenditure (aumentando l’intensità)
M cacc mmm
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Foto della luce dopo l’attraversamento delle fenditure (aumentando l’intensità)
M cacc mmm
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Foto della luce dopo l’attraversamento delle fenditure (aumentando l’intensità)
M cacc mmm
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Foto della luce dopo l’attraversamento delle fenditure (intensità debole)
M cacc mmm onde particelle Doppia natura della luce
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La luce esibisce sia la natura corpuscolare che quella ondulatoria
I fotoni sono particelle ma arrivono sullo schermo ‘ricordandosi’ di essere un’onda
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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
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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)
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GAS A TEMPERATURA T Alcuni valori tipici della
lunghezza d’onda quantistica Raggio di un atomo Spessore di un capello
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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.
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la Condensazione di Bose-Einstein (1924-1925)
Alle basse temperature la meccanica quantistica predice un fenomeno nuovo: la Condensazione di Bose-Einstein ( ) Satyendra Nath Bose Albert Einstein
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W. Ketterle
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Alcune domande Cosa succede quando la temperatura diventa così bassa ?
Come si realizzano queste temperature ?
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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
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DISPOSITIVO SPERIMENTALE PER LA
CONDENSAZIONE (JILA)
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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)
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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
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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
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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
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ALCUNE APPLICAZIONI DELLA CONDENSAZIONE DI BOSE-EINSTEIN
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Interferenza tra due BEC
Interferometria atomica per misure di alta precisione Interferenza tra due BEC (MIT 1996)
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Lasers ad atomi
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La propagazione dei solitoni
Hulet et al., Nature 2002
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EFFETTI DI SUPERFLUIDITA’ NEI CONDENSATI
I condensati in rotazione producono dei vortici quantistici (piccoli tornado) Tifone Nuri, Giappone Novembre 2014
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Vortici quantizzati in un condensato
di Bose-Einstein (Jila 2002)
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La transizione di fase da un superfluido
a un isolante: Una nuova fisica dei solidi con gli atomi ultrafreddi
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per il calcolo quantistico
Microchips atomici per il calcolo quantistico
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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
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Messaggio finale
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Il presupposto delle applicazioni
tecnolgiche è sempre la ricerca scientifica
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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
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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
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The Trento BEC team The Trento BEC Lab
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