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 0C) Air Liquide (2014)
Luis Cailletet e Raoul Pictet (1877) 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
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
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 particelle
La luce è fatta di onde
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
particelle
Doppia natura della luce
onde
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)

h

p
p  mv
de Broglie wave length
momentum
h  6.6 10
 27
cm 2
g
sec
Planck constant (1900)
GAS A TEMPERATURA T
Alcuni valori tipici della
lunghezza d’onda quantistica
T
v

Raggio di un atomo
300K
10 8 K
500m / sec 10 8 cm
mm / sec
10 3 cm
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.
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”
Steven Chu
Claude
Cohen-Tannoudji
William D. Phillips
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
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
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
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
[email protected]