Fisica atomica

A.A. 2019/2020
Insegnamento per
6
Crediti massimi
42
Ore totali
SSD
FIS/03
Lingua
Italiano
Obiettivi formativi
Il corso introduce ai principi base all'interazione risonante tra la materia (atomi o elettroni relativistici) e la radiazione elettromagnetica. Tale descrizione, in maggior parte semiclassica, è alla base dell'ottica quantistica, della fisica dei laser e della luce di sincrotrone, di cui il corso di Fisica Atomica è in parte propedeutico. Il corso si rivolge anche agli studenti interessati alla fisica del plasma e della struttura della materia in generale. La prima parte è dedicata allo studio dell'assorbimento e dell'emissione (spontanea e stimolata) della luce nei sistemi atomici. La seconda parte del corso è dedicata ai fenomeni collettivi che si incontrano nei diversi campi dell'interazione radiazione-materia. L'ultima parte è dedicata ai recenti progressi della fisica degli atomi freddi e ultra-freddi e della loro interazione con radiazione laser, ed infine al laser ad elettroni liberi (FEL).

Struttura insegnamento e programma

Edizione attiva
FIS/03 - FISICA DELLA MATERIA - CFU: 6
Lezioni: 42 ore
Programma
[Gli argomenti contrassegnati da un asterisco (*) sono complementari al programma principale]

1. Teoria classica dell'interazione radiazione-materia
Equazioni di Maxwell. Teoria lineare dei mezzi dispersivi. Funzione suscettività dielettrica, causalità e analiticità della suscettività dielettrica e relazione Kramer-Kronig. Modello di Lorentz.

2. 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 (cenni): 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*. Bistabilità ottica*.

d. Fenomeni cooperativi transienti:
Superradianza atomica. Solitoni ottici. Teorema dell'area*.

3. Effetti meccanici della radiazione

a. 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. Altre tecniche di raffreddamento (raffreddamento Sisifo)*. Reticoli ottici*.

4. Condensati di Bose-Einstein

a. Introduzione:
Cenni storici e realizzazione di condensati di BE con atomi raffreddati in trappole armoniche.

b. Teoria della condensazione di BE:
Richiami di statistica quantistica. Condensazione di BE in trappole armoniche 3D e in una scatola. Equazione di Gross-Pitaevskii. Distribuzione di Thomas-Fermi.
c. Diffrazione di atomi ultra-freddi da reticoli ottici*:
Diffrazione Bragg e Kapitza-Dirac.

5. Complementi*

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

b. 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.
Informazioni sul programma
Sul sito Ariel
Metodi didattici
Frequenza: fortemente consigliata
Modalità d'esame: orale
Materiale didattico e bibliografia
1. Appunti del docente disponibili sul sito Ariel
2. C. J. Foot, "Atomic Physics", Oxford Univ. Press.
3. M. O. Scully & M. S. Zubairy, "Quantum Optics", Cambridge Univ. Press.
Periodo
Primo semestre
Periodo
Primo semestre
Modalità di valutazione
Esame
Giudizio di valutazione
voto verbalizzato in trentesimi
Siti didattici
Docente/i
Ricevimento:
mercoledì 15.30-17.30
5 piano, edificio LITA stanza A/5/C1