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
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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)
![Page 39: 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.](https://reader035.fdocuments.net/reader035/viewer/2022062702/5542eb74497959361e8dd315/html5/thumbnails/39.jpg)
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
![Page 44: 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.](https://reader035.fdocuments.net/reader035/viewer/2022062702/5542eb74497959361e8dd315/html5/thumbnails/44.jpg)
Interferenza tra due BEC
(MIT 1996)
Interferometria atomica per misure di alta precisione
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Lasers ad atomi
![Page 46: 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.](https://reader035.fdocuments.net/reader035/viewer/2022062702/5542eb74497959361e8dd315/html5/thumbnails/46.jpg)
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
![Page 53: 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.](https://reader035.fdocuments.net/reader035/viewer/2022062702/5542eb74497959361e8dd315/html5/thumbnails/53.jpg)
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