Fotoni ed atomi: un breve viaggio nel mondo quantistico

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1 UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI MILANO Fotoni ed atomi: un breve viaggio nel mondo quantistico Stefano Olivares Applied Quantum Mechanics Group Dipartimento di Fisica, Università degli Studi di Milano, Italy OFIS2013 Officina di didattica e divulgazione della Fisica stefano.olivares@fisica.unimi.it Aspetti quantistici

2 UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI MILANO Fotoni ed atomi: un breve (?!?) viaggio nel mondo quantistico Stefano Olivares Applied Quantum Mechanics Group Dipartimento di Fisica, Università degli Studi di Milano, Italy OFIS2013 Officina di didattica e divulgazione della Fisica stefano.olivares@fisica.unimi.it Aspetti quantistici

3 Sommario 一 La Fisica 二 La via di Einstein al fotone 三 Atomi e fotoni 四 Conclusioni

4 CERN 2013 Cos è la Fisica Dall infinitamente piccolo all infinitamente grande... Planck - fluttuazioni CMB Illuminazione quantistica - INRIM e UniMi... senza dimenticare la luce!

5 Cos è la Fisica La Fisica è la scienza che studia i fenomeni naturali e le leggi che li governano. teoria: leggi, principi, paradigmi,... previsioni teoriche di nuovi fenomeni osservazione della natura e dei fenomeni naturali

6 Fotoni

7 La fisica moderna Nel 1900 Lord Kelvin diede una lezione intitolata Nubi del diciannovesimo secolo sulla teoria dinamica del calore e della luce. Le due nubi oscure a cui alludeva erano le insoddisfacenti spiegazioni che la fisica di quel periodo poteva dare per due fenomeni...

8 l'esperimento di Michelson-Morley radiazione di corpo nero Albert Einstein teoria della relatività speciale Max Planck meccanica quantistica

9 La via di Einstein al fotone Premio Nobel per la Fisica (1921): Ad Albert Einstein, per i suoi servizi alla fisica teorica e specialmente per la sua scoperta della legge dell effetto fotoelettrico. (Un punto di vista euristico relativo alla generazione e trasformazione della luce -1905)

10 La via di Einstein al fotone Fra i concetti teorici che i fisici si sono formati dei gas e la teoria di Maxwell dei processi elettromagnetici esiste una profonda differenza formale [...] Mentre consideriamo lo stato di un corpo completamente determinato dalle posizioni e dalle velocità di un numero finito di atomi ed elettroni, per determinare lo stato elettromagnetico di un volume di spazio utilizziamo funzioni spaziali continue [...] In realtà, a me sembra che le osservazioni sulla radiazione di corpo nero, la fotoluminescenza, la generazione dei raggi catodici tramite luce ultravioletta, e altri fenomeni associati all emissione o alla trasformazione della luce appaiano più comprensibili assumendo una distribuzione spaziale discontinua dell energia luminosa.

11 Gas di particelle N,T V espansione isoterma N,T V + dv ds = Nk B dv V Primo principio: Q = du + L L = PdV = nrt dv V Variazione di entropia: ds = Q T = L T = nrt dv V n = Nk B R

12 Primo principio: Q = L = PdV pressione di radiazione Gas di onde elettromagnetiche E, T V espansione isoterma E, T V + dv

13 onda elettromagnetica E ) p = E c A quantità di moto pressione di radiazione P = F A = 1 A dp dt dp = EA V dt = E V Gas di onde elettromagnetiche E, T V espansione isoterma E, T V + dv

14 Primo principio: Q = L = PdV = E V dv ds = Q T = L T = E dv T V P = F A = 1 A dp dt dp = EA V dt = E V Gas di onde elettromagnetiche E, T V espansione isoterma E, T V + dv

15 Primo principio: Legge di Wien Q = L = PdV = E V dv dv max = c b T b = mk ds = Q T = L T = E T V = k BE dv h max V h = k Bb c Gas di onde elettromagnetiche E, T V espansione isoterma E, T V + dv ds = E h k dv B V h = Js calcolo approssimato

16 Primo principio: Legge di Wien Q = L = PdV = E V dv dv max = c b T b = mk ds = Q T = L T = E T V = k BE dv h max V h = k Bb c Gas di onde elettromagnetiche E, T V espansione isoterma E, T V + dv ds = E h k dv B V h = J s calcolo accurato

17 Gas di particelle N,T V espansione isoterma N,T V + dv ds = Nk B dv V Gas di onde elettromagnetiche E, T V espansione isoterma E, T V + dv ds = E h k dv B V h = J s

18 Una radiazione monocromatica di bassa densità si comporta, dal punto di vista termodinamico, come se consistesse di un numero di quanti di energia indipendenti E / hν. (A. Einstein) L'emissione e l'assorbimento di energia elettromagnetica di frequenza ν da parte di atomi e molecole avviene per dosi discrete multiple di hν. (M. Planck)

19 Dalla luce ai fotoni Facciamo un (altro) conto... potenza laser 10-3 W J s Hz = fotoni s -1 costante di Planck frequenze ottiche

20 Fotoni singoli laser cristallo non-lineare coppie di fotoni I fotoni vengono generati a coppie: rivelandone uno si è certi della presenza dell altro che può essere usato per gli esperimenti!

21 Atomi e fotoni

22 L atomo Energia

23 Atomi e fotoni Energia Stato fondamentale

24 Atomi e fotoni Energia Stato eccitato Stato fondamentale

25 Atomi e fotoni Energia Stato eccitato Stato fondamentale

26 Atomi e fotoni Energia L esperienza mostra che gli atomi hanno livelli energetici... Frequenza Energia frequenza E = ~! = h

27 Atomi e fotoni Energia L esperienza mostra che gli atomi hanno livelli energetici... Spettro atomico (caratteristico dell atomo) Frequenza Energia frequenza E = ~! = h

28 Atomi e fotoni Energia Attraversano l atmosfera?

29 Atomi e fotoni stati eccitati Atomo in uno stato eccitato stato fondamentale E Atomo nello stato fondamentale È possibile studiare l interazione tra i singoli atomi e i singoli fotoni? Intrappolare i fotoni. Intrappolare gli atomi.

30 Intrappolare la luce: onde stazionarie Radiazione Corda Cavità Specchi molto riflettenti d = n d 2, n 2 d d 1 cm microonde (100 GHz) d 1 µm (10-6 m) visibile (1000 THz)

31 Intrappolare la luce: onde stazionarie Radiazione Corda Cavità d Specchi molto riflettenti (pareti concave) = n d 2, n 2 L d 1 cm microonde (100 GHz) d 1 µm (10-6 m) visibile (1000 THz)

32 Intrappolare la luce d! k =(2k + 1) c d Regolando larghezza d della cavità è possibile selezionare una determinata frequenza di risonanza. I fotoni con quella frequenza rimangono intrappolati nella cavità: nelle migliori cavità, i fotoni vengono riflessi dagli specchi più un miliardo di volte prima di essere assorbiti... In questo modo diventa anche possibile selezionare la frequenza in modo tale che corrisponda alla transizione tra due livelli atomici.

33 L orologio atomico Il secondo è definito come la durata di periodi della radiazione corrispondente alla transizione tra due livelli iperfini, da (F=4, MF=0) a (F=3, MF=0), dello stato fondamentale dell'atomo di cesio Hz Il secondo è l'unità di misura definita con maggiore accuratezza!

34 L orologio atomico Il secondo è definito come la durata di periodi della radiazione corrispondente alla transizione tra due livelli iperfini, da (F=4, MF=0) a (F=3, MF=0), dello stato fondamentale dell'atomo di cesio

35 Esperimenti con atomi e fotoni

36 Esperimenti con singoli atomi e fotoni ~v Atomo nello stato fondamentale

37 Esperimenti con singoli atomi e fotoni ~v ~v Atomo nello stato fondamentale

38 Esperimenti con singoli atomi e fotoni ~v ~v ~v Atomo nello stato fondamentale Atomo nello stato eccitato

39 Esperimenti con singoli atomi e fotoni ~v ~v Atomo nello stato fondamentale L Atomo nello stato eccitato (dopo l interazione) t = L v

40 Esperimenti con singoli atomi e fotoni ~v ~v Atomo nello stato fondamentale L Atomo nello stato eccitato (dopo l interazione) La meccanica quantistica prevede che: P e (t) =sin 2 ( t) t = L v Qui l atomo è in nello stato eccitato Qui l atomo è nello stato fondamentale Oscillazioni di Rabi

41 Esperimenti con singoli atomi e fotoni ~v ~v Atomo in uno stato eccitato L Atomo nello stato fondamentale (dopo l interazione) La meccanica quantistica prevede che: P e (t) = cos 2 ( t) t = L v Inizialmente l atomo è in nello stato eccitato Qui l atomo è nello stato fondamentale Oscillazioni di Rabi

42 Risultati sperimentali e premi Nobel 2012 Atomi e cavità F. Schmidt -Kaler, Nature 446, 275 (2007) M. Brune et al., Phys. Rev. Lett. 76, 1800 (1996) Ioni intrappolati NIST CNRS David J. Wineland e Serge Haroche per «metodi sperimentali rivoluzionari che consentono la misurazione e la manipolazione di singoli sistemi quantistici» Premi Nobel per la Fisica D. M. Meekhof et al., Phys. Rev. Lett. 76, 1796 (1996)

43 Risultati sperimentali e premi Nobel 2012 NIST CNRS David J. Wineland e Serge Haroche per «metodi sperimentali rivoluzionari che consentono la misurazione e la manipolazione di singoli sistemi quantistici» Premi Nobel per la Fisica E. Hinds e R. Blatt, Nature 492, 55 (2012)

44 Conclusioni Alcuni concetti di Fisica moderna per stuzzicare la curiosità e lo studio. Dalla luce al fotone. Interazione tra luce (fotoni) e materia (atomi). Grazie per l attenzione!