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LA GRANDE SFIDA DEL FREDDO: VERSO LO ZERO ASSOLUTO La Fisica Incontra la Città Roma, 4 Febbraio...

Date post: 02-May-2015
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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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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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E’ PIU’ FACILE RAFFREDDARE O RISCALDARE ?

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?

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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

C0

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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-GinevraAnelli superconduttori

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Stoccaggio di propellenti (H e O liquido)

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MAGLEV-ShanghaiTreni a levitazione magnetica

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Scala delle temperature

Ultracold atomic gases

Big Bang

Radiazione cosmica

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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 10-10 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 classicanon sono più valide: il moto delle particelle è descritto dalla MECCANICA QUANTISTICA

(rivoluzione scientifica del XX secolo)

La meccanica quantistica ha modificatoi paradigmi tradizionali della conoscenza

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Alle basse temperature le leggi della fisica classicanon sono più valide: il moto delle particelle è descritto dalla MECCANICA QUANTISTICA

(rivoluzione scientifica del XX secolo)

La meccanica quantistica ha modificatoi paradigmi tradizionali della conoscenza

E’ alla base delle principali innovazioni tecnologiche moderne

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laser

Fibre ottiche

transistor

internet

Alcune applicazioni fondamentali della meccanica quantistica

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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

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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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M cacc mmm

La luce è fatta di particelle puntiformi (fotoni) !!Einstein 1905

Foto della luce dopo l’attraversamento delle fenditure (intensità debole)

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M cacc mmm

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

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M cacc mmm

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

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M cacc mmm

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

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M cacc mmm

ondeparticelle Doppia natura della luce

Foto della luce dopo l’attraversamento delle fenditure (intensità debole)

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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 quantisticaè ora possibile manipolare e studiare

le proprietà dei singoli fotoni evitando il loro assorbimento e quindi la loro distruzione

Serge HarochePremio Nobel

per la fisica 2012

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p

h

mvp

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)

sec106.6

227 cmgh

Planck constant (1900)

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GAS A TEMPERATURA T

Alcuni valori tipici della lunghezza d’onda quantistica

T v

K300

K810

sec/500m cm810

sec/mm cm310

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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Alle basse temperature la meccanica quantistica predice un fenomeno nuovo:

la Condensazione di Bose-Einstein (1924-1925)

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”

Steven Chu Claude Cohen-Tannoudji 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”

Eric Cornell Wolfgang Ketterle 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

(MIT 1996)

Interferometria atomica per misure di alta precisione

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Lasers ad atomi

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Hulet et al., Nature 2002

La propagazione dei solitoni

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I condensati in rotazione producono dei vortici quantistici (piccoli tornado)

EFFETTI DI SUPERFLUIDITA’ NEI CONDENSATI

Tifone Nuri, GiapponeNovembre 2014

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Vortici quantizzati in un condensatodi Bose-Einstein (Jila 2002)

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

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Microchips atomiciper il calcolo quantistico

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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

Le applicazioni piu’ importanti: probabilmente ancora da trovare “Prediction is very difficult, especially about the future”

(Niels Bohr)

Un esempio famoso: il 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

http://bec.science.unitn.it

[email protected]


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