Fisica atomica

A.A. 2021/2022
6
Crediti massimi
42
Ore totali
SSD
FIS/03
Lingua
Italiano
Obiettivi formativi
Il corso si propone di introdurre gli studenti ai principi base dell'interazione risonante tra atomi e radiazione elettromagnetica. Partendo dalla descrizione semiclassica di un atomo a due livelli interagente con un campo e.m. monocromatico e quasi-risonante, gli studenti saranno in grado di comprendere i principi di funzionamento del laser e i differenti regimi di emissione stimolata, spontanea e superradiante. Saranno inoltre in grado di comprendere le tecniche di raffreddamento e intrappolamento degli atomi con campi laser, la condensazione di Bose-Einstein e alcuni fenomeni collettivi come il laser a rinculo atomico e il laser ad elettroni liberi.
Risultati apprendimento attesi
Lo studente al termine del corso avrà appreso le seguenti nozioni:
A) caratteristiche dei fenomeni base dell'assorbimento, emissione spontanea e emissione stimolata e superradiante.
B) principio di funzionamento di un laser e sue caratteristiche
C) principali effetti quantistici nella emissione e assorbimento di fotoni da un atomo a due livelli.
D) funzionamento di una trappola magneto-ottica (MOT) e di una trappola di dipolo, nonché di tecniche più avanzate di raffreddamento, come l'effetto Sisifo.
E) principi base della condensazione di Bose-Einstein di atomi in trappole armoniche
F) fenomeni collettivi come il laser a rinculo atomico collettivo e il laser ad elettroni liberi.
Programma e organizzazione didattica

Edizione unica

Periodo
Primo semestre
In relazione alle modalità di erogazione delle attività formative per l'a.a. 2021/2022 verranno date indicazioni più specifiche nei prossimi mesi, in base all'evoluzione della situazione sanitaria.
Programma
1. Teoria dell'interazione radiazione-materia

a. Teoria semiclassica dell'interazione risonante atomo-radiazione: Coefficienti A e B di Einstein; Soluzione perturbativa e calcolo coefficiente B di Einstein; Soluzione esatta di Rabi; Equazioni di Bloch ottiche; Descrizione vettoriale dell'atomo; Termini di rilassamento nelle equazioni di Bloch; Equazioni di Maxwell-Bloch (MB); Soluzione stazionaria e saturazione atomica; Allargamento non-omogeneo; Eco di fotoni e spettroscopia di saturazione.

b. Dalla teoria semiclassica alla teoria quantistica della radiazione: Quantizzazione del campo e.m. e Hamiltoniana di interazione atomo-radiazione. Stati numero e stati coerenti della radiazione. Oscillazioni di Rabi quantistiche (soluzione Jaynes-Cumming). Teoria di Weisskopf-Wigner dell'emissione spontanea*. Luce di fluorescenza, spettro elastico e inelastico (tripletto di Mollow).

c. Cavità ottiche e laser: Equazione della cavità e modi della cavità. Equazioni di MB con cavità ad anello (modello di campo medio). Equazioni di bilancio (rate equations). Laser a singolo modo ed equazione Landau-Ginzburg. Laser multi-modo.

d. Fenomeni cooperativi transienti: Superradianza atomica.

2. Effetti meccanici della radiazione: Forza di radiazione su atomi a due livelli. Forza di scattering. Melassa ottica, raffreddamento ottico e limite Doppler. Trappole magneto-ottiche (MOT). Forza di dipolo. Raffreddamento Sisifo. Reticoli ottici.

3. Condensati di Bose-Einstein: Cenni storici e realizzazione di condensati di BE con atomi raffreddati in trappole armoniche. Richiami di statistica quantistica. Condensazione di BE in trappole armoniche 3D e in una scatola. Equazione di Gross-Pitaevskii. Distribuzione di Thomas-Fermi. Risonanze Feschbach.

4. Diffrazione Bragg con atomi freddi. Reticoli ottici e Hamiltoniana di Bose-Hubbard. Transizione di fase Mott isolante- superfluida.

5. Laser a Rinculo Atomico Collettivo (CARL): Modello classico e modello quantistico.

6. Laser a Elettroni Liberi (FEL): Dalla luce di sincrotrone al FEL. FEL ad alto guadagno e FEL a raggi X. Analogie tra FEL e CARL.
Prerequisiti
Non sono richieste conoscenze preliminari
Metodi didattici
Lezioni in aula o, se richiesto dalle disposizioni sanitarie, da remoto, sincrone e registrate
Materiale di riferimento
C. J. Foot, "Atomic Physics", Oxford Univ. Press.
M. O. Scully & M. S. Zubairy, "Quantum Optics", Cambridge Univ. Press.
M. Inguscio and L. Fallani, "Atomic Physics", Oxford Univ. Press.
Appunti del docente disponibili sulla piattaforma Ariel.
Modalità di verifica dell’apprendimento e criteri di valutazione
Colloquio orale sugli argomenti trattati nel corso. Verifica che il candidato abbia raggiunto gli obiettivi formativi del corso e sia in grado di descrivere i principali fenomeni descritti a lezione.
FIS/03 - FISICA DELLA MATERIA - CFU: 6
Lezioni: 42 ore
Siti didattici
Docente/i
Ricevimento:
mercoledì 15.30-17.30
5 piano, edificio LITA stanza A/5/C1