Introduzione al corso: temi della fisica atomica contemporanea. Struttura e spettri atomici. Interazione degli atomi con la radiazione elettromagnetica. Spettroscopia atomica con radiazione laser. Raffreddamento e intrappolamento di atomi. Fisica con atomi ultrafreddi. Ricerca attuale in fisica atomica e applicazioni.
- G.M. Tino, “Fisica Atomica-Lezioni all’Università di Firenze”.
- P. Meystre, M. Sargent, “Elements of Quantum Optics”, 1999.
- M.O. Scully, M.S. Zubairy, “Quantum Optics”, 1997.
- C. Cohen-Tannoudji, B. Diu, F. Laloe, “Quantum Mechanics, Vol. II”, 1977.
- H.G. Kuhn, “Atomic Spectra”, 1969.
- A. Corney, “Atomic and Laser Spectroscopy”, 1977.
- W. Demtroeder, “Laser Spectroscopy”, 1996.
- M. Inguscio, G.M. Tino, “Fisica atomica: tecniche recenti di raffreddamento laser”, in Enciclopedia delle Scienze Fisiche, 1995.
- G.M. Tino, M. Inguscio, “Experiments on Bose-Einstein condensation”, Rivista Nuovo Cimento, 1999.
- C. Cohen-Tannoudji, D. Guéry-Odelin, "Advances in Atomic Physics: An Overview", World Scientific, 2011.
Obiettivi Formativi
Conoscenze: Fisica atomica teorica e sperimentale
Competenze acquisite: Comprensione e soluzione di problemi di fisica atomica teorica e sperimentale
Capacità acquisite al termine del corso: Capacita' di comprendere le ricerche nel campo della fisica atomica moderna.
Prerequisiti
Corsi raccomandati: Struttura della Materia
Metodi Didattici
CFU: 6
Numero di ore totali del corso: 150
Numero di ore relative alle attività in aula: 48
Altre Informazioni
Ricevimento:
da concordare con il docente
Sito web:
http://coldatoms.lens.unifi.it/tino/
Modalità di verifica apprendimento
Modalità: Esame orale
Programma del corso
1. Introduzione al corso: temi della fisica atomica contemporanea.
2. Struttura e spettri atomici.
2.1 Atomo di idrogeno.
2.1.1 Richiami sul modello di Bohr e equazione di Schroedinger.
2.1.2 Effetti relativistici e struttura fine.
2.1.3 Lamb shift e effetti di QED.
2.2 Effetti del nucleo: struttura iperfine e shift isotopico.
2.2.1 Struttura iperfine.
2.2.2 Shift isotopico.
2.3 Interazione con campi magnetici e elettrici statici.
2.3.1 Effetto Zeeman.
2.3.2 Effetto Stark.
2.4 Atomi a più elettroni.
2.4.1 Approssimazione di campo centrale.
2.4.2 Correzioni alla approssimazione di campo centrale e schemi di accoppiamento tra momenti angolari.
2.4.3 Struttura degli atomi a più elettroni e sistema periodico.
2.4.4 Equazioni di Hartree e Hartree-Fock.
3. Interazione degli atomi con la radiazione elettromagnetica.
3.1 Interazione atomo-radiazione e regole di selezione per le transizioni.
3.1.1 Interazione di dipolo elettrico.
3.1.2 Interazione di dipolo magnetico e di quadrupolo elettrico.
3.1.3 Regole di selezione per le transizioni.
3.1.4 Componenti Zeeman e polarizzazione della radiazione.
3.1.5 Esperimento di doppia risonanza di Brossel-Bitter.
3.2 Interazione di un atomo a due livelli con radiazione e.m.
monocromatica.
3.2.1 Modello semiclassico.
3.2.2 Fenomeni di rilassamento.
3.2.3 Soluzione esatta.
3.3 Shift luminoso dei livelli e stati vestiti.
3.3.1 Stati vestiti nel formalismo di seconda quantizzazione.
3.3.2 Esempi e applicazioni.
3.4 La matrice densità.
3.4.1 Caso puro (funzione d’onda nota).
3.4.2 Caso misto.
3.4.3 Soluzione col metodo perturbativo.
3.4.4 Matrice di popolazione.
3.5 Modello vettoriale e equazioni di Bloch ottiche.
3.5.1 Equazioni di Bloch ottiche.
3.5.2 Impulsi π e π/2, inversione adiabatica, photon echo,
schema di Ramsey.
3.6 Polarizzazione di un mezzo e coefficiente di assorbimento.
3.6.1 Polarizzazione in un sistema a due livelli con allargamento
omogeneo e rate equations.
3.6.2 Polarizzazione in un sistema a due livelli con allargamento
inomogeneo.
3.7 Transizioni a più fotoni.
3.8 Fenomeni di ottica non lineare.
3.9 Elementi di teoria dei laser.
3.10 Effetti di interferenza quantistica in un atomo a tre livelli.
3.10.1 Dark states.
3.10.2 Laser senza inversione.
3.10.3 Elettromagnetically induced trasparency (EIT).
4. Spettroscopia atomica con radiazione laser.
4.1 Introduzione.
4.2 Tecniche spettroscopiche tradizionali.
4.3 Sorgenti e rivelatori di radiazione.
4.3.1 Nuovi metodi di rivelazione.
4.4 Tecniche di spettroscopia non lineare.
4.5 Spettroscopia ad alta risoluzione.
4.5.1 Meccanismi di allargamento delle righe spettrali.
4.5.2 Spettroscopia di saturazione.
4.5.3 Spettroscopia di polarizzazione.
4.5.4 Spettroscopia a due fotoni.
4.6 Spettroscopia fotoelettronica.
5. Raffreddamento e intrappolamento di atomi.
5.1 Raffreddamento di atomi con luce laser.
5.1.1 Rallentamento di un fascio atomico.
5.1.2 Melasse atomiche.
5.1.3 Raffreddamento al di sotto del rinculo di un singolo fotone.
5.2 Intrappolamento di atomi neutri.
5.2.1 Trappola magneto-ottica.
5.2.2 La trappola dipolare.
5.2.3 Intrappolamento magnetico.
5.3 Raffreddamento evaporativo degli atomi intrappolati.
6 Ricerca attuale in fisica atomica e applicazioni.
6.1 Esperimenti con atomi raffreddati.
6.1.1 Condensazione di Bose-Einstein.
6.1.2 Spettroscopia di precisione.
6.1.3 Collisioni tra atomi ultrafreddi.
6.1.4 Ottica atomica.
6.2 Orologi atomici.
6.2.1 Orologi al cesio.
6.2.2 Orologi atomici ottici.
6.2.3 Prospettive.
6.3 Interferometria atomica.
6.3.1 Introduzione.
6.3.2 Schemi.
6.3.3 Esperimenti.