la grande sfida del freddo: verso lo zero assoluto la fisica incontra la città roma, 4 febbraio...
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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
E’ PIU’ FACILE RAFFREDDARE O RISCALDARE ?
?
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
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-GinevraAnelli superconduttori
Stoccaggio di propellenti (H e O liquido)
MAGLEV-ShanghaiTreni a levitazione magnetica
Scala delle temperature
Ultracold atomic gases
Big Bang
Radiazione cosmica
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 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
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
laser
Fibre ottiche
transistor
internet
Alcune applicazioni fondamentali della meccanica quantistica
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
Comportamento ondulatorio osservato nell’esperimento della doppia fenditura
Cosa accade se diminuiamo la potenza della sorgente luminosa
M cacc mmm
La luce è fatta di particelle puntiformi (fotoni) !!Einstein 1905
Foto della luce dopo l’attraversamento delle fenditure (intensità debole)
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 (aumentando l’intensità)
M cacc mmm
ondeparticelle Doppia natura della luce
Foto della luce dopo l’attraversamento delle fenditure (intensità debole)
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 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
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)
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
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
Interferenza tra due BEC
(MIT 1996)
Interferometria atomica per misure di alta precisione
Lasers ad atomi
Hulet et al., Nature 2002
La propagazione dei solitoni
I condensati in rotazione producono dei vortici quantistici (piccoli tornado)
EFFETTI DI SUPERFLUIDITA’ NEI CONDENSATI
Tifone Nuri, GiapponeNovembre 2014
Vortici quantizzati in un condensatodi Bose-Einstein (Jila 2002)
La transizione di fase da un superfluido a un isolante:Una nuova fisica dei solidicon gli atomi ultrafreddi
Microchips atomiciper il calcolo quantistico
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
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
