Pescara - 17 marzo 2015 Liceo Scientifico G.Galilei. L Area della Ricerca CNR-INAF di Bologna

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1 L esperimento più bello Giorgio Lulli Consiglio Nazionale delle Ricerche Istituto per la Microelettronica e i Microsistemi (CNR-IMM) Bologna Pescara - 17 marzo 2015 Liceo Scientifico G.Galilei L Area della Ricerca CNR-INAF di Bologna Temi: MATERIALI, AMBIENTE E ASTROFISICA sede di grandi infrastrutture di ricerca L Area della Ricerca CNR-INAF di Bologna comprende Istituti di ricerca attivi nelle seguenti tematiche: - Scienze Bio-agroalimentari - Scienze fisiche e tecnologie della materia - Sistema terra e tecnologie per l ambiente - Scienze chimiche e tecnologie dei materiali - Astrofisica spaziale e fisica cosmica ISTITUTI CNR-ISAC: Istituto di Scienze dell Atmosfera e del Clima, Sede dell Istituto nazionale; CNR-IBIMET: Istituto di Biometeorologia, Sede di Bologna; CNR-ISMAR: Istituto di Scienze Marine, Sede di Bologna; CNR-ISOF: Istituto per la Sintesi Organica e la Fotoreattività, Sede dell Istituto nazionale; CNR-IMM: Istituto per la Microelettronica ed i Microsistemi, Sede di Bologna; CNR-ISMN: Istituto per lo Studio dei Materiali Nanostrutturati, Sede di Bologna; INAF-IRA: Istituto di Radioastronomia, Sede dell Istituto nazionale; INAF-IASF: Istituto di Astrofisica Spaziale e Fisica Cosmica, Sede dell Istituto Nazionale 1

2 Attività di divulgazione per le scuole Divulgazione scientifica e dell attività di ricerca: Il Liguaggio della Ricerca Educazione alla ricerca: stage estivi SperimEstate L Istituto per la Microelettronica e i Microsistemi (IMM) Studio di processi e materiali innovativi per la micro e nanoelettronica Progettazione, realizzazione e caratterizzazione di dispositivi micro- e nano-elettronici, sensori e microsistemi. 2

3 Sommario L esperimento più bello: di che si tratta? tt Le origini La sfida sperimentale: dall idea al laboratorio La sfida concettuale: dal pensare classico al pensare quantistico Perchè l esperimento più bello? R. Crease Physics World Maggio-Settembre

4 20/03/ Pino Guidolotti 2 Chi lo ha fatto per primo? Pier Giorgio Merli (2) Giulio Pozzi (1) Gian Franco Missiroli ss o (1) (1) Dipartimento di Fisica Università - Bologna (2) CNR LAMEL (oggi IMM) - Bologna 1974: Pier Giorgio Merli, Gian Franco Missiroli e Giulio Pozzi portano a termine per la prima volta l interferenza di elettroni singoli, utilizzando in modo creativo un microscopio elettronico attrezzato con un rivelatore di elettroni singoli P.G.Merli, G.F.Missiroli, G.Pozzi On the statistical aspects of electron interference phenomena Am. J. Phys. 44, 306 (1976) 2002 / 2003 l impatto mediatico 4

5 20/03/2015 Come funziona? Dr. Quantum (The infaumous double slit experiment - YouTube) Le origini 5

6 1905: Einstein, l effetto fotoelettrico e i quanti di luce A.Einstein effetto fotoelettrico luce = particelle (quanti di luce o fotoni) Elettroni? λ = h/mv J.J.Thomson L. De Broglie 1897: corpuscoli 1923: onde 6

7 1927: un esperimento mentale 5o Congresso Solvay Electrons and Photons : Einstein inventa l esperimento più bello come esperimento concettuale (gedankenexperiment) p nel tentativo (fallito) di trovare una contraddizione nella interpretazione della meccanica quantistica di Bohr e Heisenberg. 1927: un esperimento reale: diffrazione di elettroni C. Davisson, D. Germer Prima prova sperimentale del comportamento ondulatorio degli elettroni fenomeno di diffrazione da cristallo (Ni): conferma dell ipotesi di De Broglie. 7

8 1963: l unico mistero... impossibly small scale.. Decidemmo di esaminare un fenomeno [l interferenza di elettroni singoli] che è impossibile, assolutamente impossibile spiegare in modo classico, e che sta al cuore della meccanica quantistica. In realtà contiene l unico mistero. Richard Feynman La fisica di Feynman, vol. 3 Meccanica Quantistica (1963) La sfida sperimentale: dalla mente al laboratorio 8

9 Lunghezza d onda elettroni h: costante di Planck (relativistica) V (volt) λ (nm) tensione accelerazione (volt) lunghezza d onda nm m nm m Lunghezza d onda elettroni elettroni kev λ el λ light 9

10 Interferenza e visibilità delle frange D spaziatura tra le frange x λd/d (d<<d) d x (risoluz. occhio) 0.1 mm λ el (100keV) = nm per vedere le frange a D = 30 cm d 1 nm... troppo piccolo! ipotesi (oggi) tecnologicamente realistica: d 100 nm D 30 m lenti elettroniche C. Jönsson (Univ. Tubinga)

11 lente elettro-magnetica per elettroni il costituente fondamentale del microscopio elettronico (in trasmissione) Effetto di una lente S O I D proiezione geometrica da sorgente puntiforme 11

12 Effetto di una lente I S O D immagine delle stesse dimensioni del caso precedente, ma molto più vicina all oggetto (e ribaltata...) Il biprisma elettronico: un alternativa alle fenditure G.Lulli et al. documentario L esperimento più bello

13 spessore del filo 0.5-1µm 13

14 Interferenza di elettroni nel microscopio elettronico biprisma K.H. Hermann (Siemens) Intensificatore di immagine (1971) Ultimo passo: il rivelatore di singoli elettroni 14

15 Esperimento Merli Missiroli Pozzi ( ) microscopio elettronico + biprisma + rivelatore elettroni singoli Il primo esperimento di interferenza in cui si visualizzano i singoli elettroni: l esperimento più bello! (Physics World 2002) 1976: il film Interferenza di elettroni Medaglia d Oro al Festival Internazionale del Cinema Scientifico - Bruxelles

16 Per saperne di più dal La sfida concettuale: dal pensare classico al pensare quantistico 16

17 Gedankenexperiment rivelatore sorgente fenditure caso 1: proiettili, palline da tennis,ecc... 17

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20 caso 2: onde sulla superficie dell acqua oscillazione onde circolari livello acqua 20

21 fronti d onda (per semplicità trascuriamo gli effetti di riflessione delle onde) 21

22 le fenditure dividono il fronte d onda e generano due sorgenti secondarie con caratteristiche (lunghezza d onda e fase) uguali a quelle dell onda primaria Principio di sovrapposizione delle onde Le perturbazioni ondulatorie si sommano tra loro secondo il principio di sovrapposizione In un punto dello spazio dove si propagano più onde della stessa natura, la perturbazione che risulta è uguale alla somma (algebrica) delle perturbazioni prodotte dalle singole onde Questo può dare luogo a zone in cui la perturbazione si rafforza e zone in cui si annulla (4) 22

23 Onde sulla superficie dell acqua: l ondoscopio qui non abbiamo fenditure, ma sorgenti più o meno puntiformi ; ma la sostanza del fenomeno non cambia L esperimento delle due fenditure con l ondoscopio Sorgente di onde rettilinee Fenditure Nella regione dopo le fenditure si osserva una situazione identica a quella vista prima per le due sorgenti pseudo-puntiformi 23

24 figura di interferenza prodotta sulla superficie dell acqua zone con liquido oscillante linea del liquido a riposo 24

25 punti con liquido fermo (nodali) linea di separazione asciuttobagnato livello del liquido a riposo 25

26 frange di interferenza figura rappresentativa dell ampiezza (A) di oscillazione I (intensità) A 2 caso 3: fascio intenso di luce (esperimento di Young 1803) 26

27 1803: L esperimento della doppia fenditura di Young T.Young interferenza luce = onda figura rappresentativa dell intensità dell onda luminosa figura rappresentativa dell ampiezza dell onda 27

28 onde: frange di interferenza particelle: due strisce particelle e onde sono le due categorie di oggetti che riassumono l essenza delle due grandi teorie della fisica cosiddetta classica di fine 1800: la meccanica (Newtoniana), sviluppata nel e la teoria dei campi, sviluppatanel caso 4: fascio intenso di elettroni su lastra fotografica (*) (*) esperimenti comportamento apparentemente ondulatorio... gli elettroni sono onde? 28

29 caso 5: fascio ultra-debole di elettroni (uno alla volta) rivelatore di elettroni singoli? segnale di particella, non deboli frange... E. Schrödinger: elettrone = onda collasso dell onda Ψ = funzione d onda L idea di un elettrone-onda che investe entrambe le fenditure, comporta che quest onda estesa nello spazio collassi istantaneamente in un unico punto quando arriva al rivelatore... 29

30 .. un singolo elettrone alla volta frange interferenza: onde puntini: particelle segnali di particelle.. ma distribuite come nell interferenza di onde effetto che non può essere dovuto a una interazione tra elettroni fascio debolissimo di luce: stesso risultato 30

31 Interferenza di fotoni singoli (Jacques et al. 2005) V. Jacques et al. Single photon wavefront splitting interference Eur. Phys. J. D 35, (2005) Interferenza di neutroni termici (Zeilinger et al. 1988) mass = 1 AMU v = 200 ms -1 λ neutroni = 2 nm distanza tra fenditure d = 104 µm (larghezza fenditure 22 µm) criterio visibilità frange λd/d = 0.1 mm distanza fenditure rivelatore D = 5 m 31

32 Interferenza di molecole C 60 (Arntd et al. 1999) mass = 720 AMU v 200 ms -1 λ= nm d = 100 nm (larghezza fenditure 50nm) distanza fenditure-rivelatore = 1.25 m Interferenza di molecole C 32 H 18 N 8 e C 48 H 26 F 24 N 8 O 8 (Juffmann et al. 2012) masses 514 AMU, 1298 AMU v 150 ms -1 distanza fenditure-rivelatore 0.5 m λ= nm d = 100 nm (larghezza fenditure 50nm) 32

33 La lettura dell esperimento secondo Merli, Missiroli, Pozzi 1. ogni singolo elettrone/fotone/ecc. viene rivelato come particella 1. le frange risultano percepibili solo dopo molti (>1000) eventi singoli, sono quindi il risultato statistico del comportamento di molti elettroni 1. la probabilità di arrivo degli elettroni sullo schermo si distribuisce come l intensità lintensità delle frange in un esperimento di interferenza di onde classiche. Qui non si tratta quindi di un onda classica (materiale o elettromagnetica) ma di un onda di probabilità Elettrone singolo: cosa interferisce con cosa? classicamente, per interferire ci vogliono almeno due sorgenti di perturbazioni ondulatorie qui mandiamo un solo elettrone/fotone per volta "ogni fotone [o elettrone] interferisce con sè stesso Paul A. M. Dirac I principi della meccanica quantistica (Boringhieri, 1959) p.13 33

34 Un modo naif di visualizzare il fenomeno.. Dr. Quantum (The infaumous double slit experiment - YouTube) Quale percorso? (which path? o which way?) Dr. Quantum (The infaumous double slit experiment - YouTube) 34

35 si sommano le intensità delle figure prodotte da ciascuna fenditura, considerata separatamente Riassumendo: no informazione sul percorso interferenza informazione sul percorso no interferenza 35

36 Attenzione: non è corretto dire che in questocasoglielettronisicomportano come particelle classiche. Anche qui si osservano infatti piccole oscillazioni di intensità dovute alla diffrazione degli elettroni da parte di ciascuna singola fenditura. Cosa interferisce con cosa? Qui non si tratta di oggetti fisici tradizionali, ma di entità astratte, ovvero due percorsi potenziali, che sovrapponendosi danno origine a interferenza (il senso che si può dare alla frase di Dirac). Usando un apparato che può dirci quale delle due possibilità si verifica l interferenza non si osserva più. La scomparsa dell interferenza non è dovuta al disturbo prodotto dalla misura sul sistema! 36

37 Schema dell esperimento concettuale di Scully et al. (1991) in cui la determinazione del percorso produce una variazione di momento trascurabile sull atomo Un esperimento reale che si ispira a questo è stato fatto per la prima volta nel 1998 (Durr et al. Nature, 395, 33, 1998) Una semplice regola per l interferenza quantistica L interferenza di singoli oggetti quantistici si osserva quando questi hanno a disposizione più cammini per arrivare allo stesso rivelatore e nello stesso tempo la configurazione sperimentale non permette di distinguere tra questi cammini. 37

38 Interferenza di alternative The interference of alternatives is characteristic of quantum systems; classical alternatives do not interfere. (B-G. Englert Remarks of some basic issues in quantum mechanics ) [...] regardeless of the quantum system, any information recorded or not about the alternative taken by a quantum process capable of following more than one alternative, destroys the interference between alternatives. (R. Feynman, A. R. Hibbs Quantum mechanics and path integrals ) Realtà versus possibilità But the atoms or the elementary particles are not real; they form a world of potentialities or possibilities rather than one of things andfacts. (W. Heisenberg) 38

39 Riassumendo In un sistema che offre più alternative, lo stato di un elettrone/fotone singolo è indefinito, edèdescrivibilecome sovrapposizione di tutte le alternative possibili. L interferenza quantistica è il risultato della sovrapposizione di alternative. Ciò che è definito è la probabilità di ciascuna alternativa. Questa si può calcolare esattamente con le equazioni della MQ. La misura annulla la sovrapposizione di alternative, scegliendone una sola e cancellando così l interferenza (collasso). Il processo di misura, anche se non perturba l oggetto quantistico in modo apprezzabile, ha un ruolo attivo nel determinare lo stato che viene effettivamente osservato. Se le stranezze della meccanica quantistica vi lasciano perplessi, consolatevi, siete in buona compagnia... Some physicists, among them myself, cannot believe that we must abandon, actually and forever, the idea of direct representation of physical reality in space and time; orthatwemustaccepttheviewthateventsin nature are analogous to a game of chance. Probably never before has a theory been evolved which has given a key to the interpretation and calculation of such a heterogeneous group of phenomena of experience as has quantum theory. In spite of this, however, I believe that the theory is apt to beguile us into error in our search for a uniform basis for physics, because, in my belief, it is an incomplete representation of real things, although it is the only one which can be built out of the fundamental concepts of force and material points (quantum corrections to classical mechanics). The incompleteness of the representation leads necessarily to the statistical nature (incompleteness) of the laws. (Albert Einstein, onquantum Physics, 1954) 39

40 Onda? Particella?... No: quantone! Jean-Marc Lévy Leblond, Francoise Balibar: Quantique : Rudiments grazie per l attenzione e IN BOCCA AL LUPO! 40