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Tesi etd-03292018-113534


Thesis type
Tesi di laurea specialistica
Author
FREGOSI, ALESSANDRO
URN
etd-03292018-113534
Title
Intrappolamento ottico di atomi di disprosio per la realizzazione di un condensato di Bose-Einstein di atomi dipolari
Struttura
FISICA
Corso di studi
SCIENZE FISICHE
Commissione
relatore Dott. Fioretti, Andrea
correlatore Prof. Giulietti, Danilo
Parole chiave
  • disprosio dysprosium
Data inizio appello
18/04/2018;
Consultabilità
secretata d'ufficio
Riassunto analitico
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 ra reddamento 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.
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