• disprosio dysprosium

Il campo della fisica degli atomi freddi può essere considerato all’intersezione tra l’ottica, la fisica atomica e la meccanica statistica. Grazie al grande sviluppo dei laser è oggi possibile ottenere nubi atomiche a temperature molto basse che rendono possibile il raggiungimento di stati quantisticamente degeneri (condensato di Bose-Einstein e gas degenere di Fermi) e il confinamento di atomi in reticoli ottici, ottenuti tramite l’interferenza di fasci laser. Questi reticoli, per la loro stessa natura, sono esenti da difetti geometrici e ne sono controllabili le varie caratteristiche: geometria, passo reticolare e profondità.
La maggior parte dei sistemi di questo tipo utilizza atomi alcalini che interagiscono tra loro attraverso forze di contatto (isotrope e a corto raggio) che possono venire descritte da una sola grandezza detta lunghezza di scattering. La presenza delle cosiddette risonanze di Feshbach permette di variare, attraverso un campo magnetico, il valore della lunghezza di scattering e quindi di passare da un’interazione repulsiva, a una nulla e infine ad una attrattiva. La possibilità di controllare sia il potenziale esterno sia quello con cui gli atomi interagiscono tra loro, rende questi sistemi uno strumento privilegiato per realizzare sperimentalmente simulazioni quantistiche di sistemi a stato solido.
Negli ultimi anni è cominciato a crescere l’interesse verso l’utilizzo di atomi dotati di momento di dipolo magnetico che permette di sfruttare non solo l’interazione di contatto, ma anche quella dipolo-dipolo per sua natura a lungo raggio e anisotropa. Il primo sistema di questo tipo è stato ottenuto usando l’atomo di cromo in cui l’interazione dipolare è stata messa in primo piano inibendo l’interazione di contatto tramite una risonanza di Feshbach. Sistemi ancora più interessanti per rendere preponderante l’interazione a lungo raggio rispetto a quella di contatto sono gli elementi centrali della serie dei lantanidi che, grazie alla loro struttura elettronica (submerged F shell) possiedono i più alti momenti di dipolo magnetico. Fra questi l’erbio (7 magnetoni di Bohr) e il disprosio (10 magnetoni di Bohr) sono stati raffreddati via laser e portati fino alla degenerazione quantistica nell’ultimo decennio.
L’esperimento in cui ho svolto la mia tesi riprende proprio il disprosio che risulta particolarmente interessante perché, oltre ad avere il più grande momento magnetico in natura, possiede isotopi sia bosonici che fermionici con abbondanza relativa simile e rende quindi possibile passare da condensati di Bose-Einstein a gas degeneri di Fermi con poche modifiche nell’apparato sperimentale, essenzialmente cambiando le frequenze dei laser utilizzati.
Il mio lavoro di tesi, nel Laboratorio Disprosio della sede secondaria di Pisa dell’Istituto Nazionale di Ottica del CNR, è iniziato quando erano appena stati ottenuti i primi risultati di rareddamento laser in una trappola magneto-ottica (mot) ed è terminato con i primi risultati della condensazione di Bose-Einstein dell’isotopo 162Dy.
Il condensato dell’isotopo 162Dy viene preparato a partire da un fascio atomico ottenuto per effusione termica da un forno ad alta temperatura. Tale fascio viene collimato e rallentato usando la transizione a riga larga a 421 nm, quindi gli atomi vengono intrappolati e raffreddati ulteriormente in una MOT ottenuta su una transizione a riga più stretta, a 626 nm. Infine la nuvola atomica viene portata alla degenerazione quantistica attraverso una fase di raffreddamento evaporativo effettuata in due trappole ottiche a 1064nm, la prima ricavata in una cavità risonante e l’altra ottenuta con due fasci gaussiani incrociati. Nel laboratorio sono perciò presenti vari sistemi laser: la radiazione a 421nmè ottenuta tramite il raddoppio in frequenza di un laser Ti-Sapphire, quella a 626nm con un laser a diodo anche questo raddoppiato in frequenza, mentre la radiazione a 1064nm è fornita da due laser Nd:Yag. L’apparato sperimentale è formato da vari tavoli ottici, uno principale per il sistema da vuoto e altri per le sorgenti laser.
Fibre ottiche monomodo portano la luce laser dai vari tavoli al tavolo principale. Tutto il processo di raffreddamento è gestito via computer. Le informazioni sugli atomi raffreddati e sul condensato (numero di atomi, distribuzione spaziale e distribuzione di velocità) vengono ottenute tramite la tecnica detta di absorption imaging.
La presente tesi è organizzata con l’idea di separare la parte più generale e teorica da quella legata all’attività in laboratorio. Dopo l’introduzione, il primo capitolo, di carattere teorico, ha lo scopo di fornire un supporto generale al materiale successivo. In esso vengono descritte (nell’ambito della trattazione semiclassica dell’interazione radiazione-materia) le due forze di radiazione dette di scattering e dipolare e il loro uso nei processi di raffreddamento e confinamento atomico; successivamente la tecnica del raffreddamento evaporativo e, infine, il processo di condensazione di Bose Einstein di bosoni confinati da un potenziale armonico. Nel secondo capitolo viene presentato l’apparato sperimentale: il sistema da vuoto, i diversi laser e i loro sistemi di controllo della frequenza, e infine l’apparato di imaging. Nel terzo e ultimo capitolo vengono riportati i risultati sperimentali veri e propri; in particolare le caratterizzazioni della mot, delle varie trappole ottiche, e brevemente del condensato ottenuto.
I risultati ottenuti in questo lavoro di tesi sono stati pubblicati su una rivista internazionale e presentati in due conferenze internazionali (poster) di cui sono coautore.