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ATOM OPTICS
DONATELLA CIAMPINI
Academic year2020/21
CoursePHYSICS
Code221BB
Credits9
PeriodSemester 2
LanguageItalian

ModulesAreaTypeHoursTeacher(s)
OTTICA ATOMICAFIS/03LEZIONI54
ENNIO ARIMONDO unimap
DONATELLA CIAMPINI unimap
Obiettivi di apprendimento
Learning outcomes
Conoscenze

1) Consolidare le conoscenze relative all’interazione della luce con un sistema quantistico.

2) Approfondire i meccanismi di scambio di quantità di moto e del raffreddamento laser.

3) Saper descrivere in modo semplice le interazioni a due corpi tra atomi ultra-freddi e il loro controllo.

4) Interferenza quantistica di onde di materia: l’interferometria atomica  e le correlazioni quantistiche.

5) Esplorare le frontiere della fisica atomica: i gas quantistici degeneri come sistemi semplici per studiare la fisica a molti corpi.

Knowledge

Students are expected to: consolidate their knowledge of light/matter interaction, acquire knowledge of photon/atom momentum exchange mechanisms and of laser cooling techniques, acquire some knowledge of two-body interactions in ultra-cold atoms, gain knowledge of quantum degenerated gases and matter-wave interferometry.

Modalità di verifica delle conoscenze

Esame orale alla fine del corso; eventuale partecipazione alle discussioni durante le lezioni.

Assessment criteria of knowledge

The student will be assessed on his/her demonstrated ability to discuss the main course contents using the appropriate terminology.

Methods:

  • Final oral exam
  • Oral report
Capacità

Lo studente sara' in grado di comprendere e di prevedere il comportamento di un atomo, schematizzato come un sistema a due livelli, che interagisce con radiazione elettromagnetica, in un ampio range di situazioni, con particolare riferimento alla fisica degli atomi freddi.

Lo studente sarà in grado di comprendere i contenuti fondamentali di un articolo scientifico attinente gli argomenti trattati nel corso.

Skills

The student will be able to understand and predict the behavior of an atom, schematized as a two-level system that interacts with electromagnetic radiation in a wide range of situations, with particular reference to the physics of cold atoms.

The student will be able to understand the fundamental contents of a scientific article relevant to the topics discussed in the course.

Modalità di verifica delle capacità

Esame orale alla fine del corso; eventuale partecipazione alle discussioni durante le lezioni.

Assessment criteria of skills

The student will be assessed on his/her demonstrated ability to discuss the main course contents using the appropriate terminology.

Methods:

  • Final oral exam
  • Oral report
Comportamenti

Lo studente sarà in grado di esporre in modo chiaro i contenuti fondamentali di un articolo scientifico attinente gli argomenti trattati nel corso.

Behaviors

The student will be able to explain the fundamental contents of a scientific article relevant to the topics discussed in the course clearly.

   

Modalità di verifica dei comportamenti

Esame orale alla fine del corso; eventuale partecipazione alle discussioni durante le lezioni.

Assessment criteria of behaviors

The student will be assessed on his/her demonstrated ability to discuss the main course contents using the appropriate terminology.

Methods:

  • Final oral exam
  • Oral report
Prerequisiti (conoscenze iniziali)

Le conoscenze iniziali richieste sono quelle fornite dai corsi dalla Laurea in Fisica, in particolare nei corsi di Meccanica Quantistica e Struttura della Materia.

Prerequisites

The initial knowledge required is those provided by the degree courses in Physics, particularly in Quantum Mechanics and Structure of Matter.

Indicazioni metodologiche

Attività didattiche:

  • partecipare alle lezioni
  • partecipare alle discussioni
  • studio individuale
  • ricerca bibliografica

Partecipazione alle lezioni: raccomandata

Metodo di insegnamento: lezioni frontali

Nota: le lezioni potrebbero essere tenute in forma esclusivamente telematica a causa delle restizioni dovute a Covid-19 (se ancora valide nel secondo semestre dell'a.a. 2020/2021).

Teaching methods

Learning activities:

  • attending lectures
  • participation in discussions
  • individual study
  • Bibliography search

Attendance: Advised

Teaching methods:

  • Lectures
Programma (contenuti dell'insegnamento)

CONOSCENZE DI BASE

  1. Richiami e approfondimenti sull’interazione semiclassica luce-materia. Stati puri e impuri. Importanza delle coerenze atomiche, esempi sperimentali.
  2. L’atomo vestito. Light shift, light broadening e oscillazioni di Rabi.

 

OTTICA ATOMICA LINEARE

  1. Forze radiative su un atomo a due livelli. Forza dissipativa, applicazioni al rallentamento di un fascio atomico. Forza reattiva e sua interpretazione in termini di atomo vestito.
  2. Raffreddamento laser di un atomo a due livelli, raffreddamento Doppler. Idee di base del raffreddamento sub-Doppler.
  3. Intrappolamento ottico, magnetico, elettrico di particelle cariche e neutre. Alcune configurazioni sperimentali.


OTTICA ATOMICA NON LINERARE

  1. Interazioni a due corpi a bassa temperatura: la lunghezza di scattering.
  2. Controllo delle interazioni atomo-atomo. Risonanze di Feshbach.


OTTICA ATOMICA QUANTISTICA

  1. Interferenza di onde di materia di De Broglie. Lunghezza di coerenza. Diffrazione di atomi da un’onda stazionaria (gradi di libertà esterni dell’atomo). Oscillazioni di Bloch, implementazione sperimentale con atomi freddi e reticoli ottici.
  2. Interferometria atomica e frange di Ramsey (gradi di libertà interni ed esterni dell’atomo). Tra le applicazioni, gli orologi atomici con atomi freddi.
  3. Condensati di Bose-Einstein: descrizione di campo medio e proprietà di coerenza. Laser atomici. Un esempio di effetti non-lineari nell’ottica atomica: Four-wave mixing di onde di materia.
  4. Effetto Josephson per atomi ultra-freddi in una doppia buca di potenziale. L’Hamiltoniana di Bose-Hubbard. La transizione superfluido-isolante di Mott per un gas di bosoni in un reticolo ottico.
Syllabus

BASIC KNOWLEDGE: semi-classical light/matter interaction. The dressed atom approach. Light shift, light broadening and Rabi oscillations. LINEAR ATOM OPTICS: dissipative force and reactive force on a two-level atom. Doppler cooling. Basics of sub-Doppler cooling. Optical, magnetic, electrical trapping of neutral and charged particles. NON-LINEAR ATOM OPTICS: low temperature two-body interactions, scattering length. Feshbach resonances. QUANTUM ATOM OPTICS: Optical lattices, atom diffraction, Bloch oscillations. Matter-wave interferometry. Atomic clocks with cold atoms. Bose-Einstein condensate. Atom lasers. All or some of the following topics: Four-wave mixing of matter-waves, Josephson effect, Bose-Hubbard Hamiltonian, Mott-superfluid transition.

Bibliografia e materiale didattico

Pierre Meystre “Atom Optics”, Springer (2001)

Claude Cohen-Tannoudji and David Guéry-Odelin “Advances in Atomic Physics”, World Scientific (2011)

Materiale didattico di supporto ad alcune lezioni (articoli scientifici, principalmente) si può trovare sulla pagina web del corso su Elearning.

Bibliography

Recommended reading includes chapters of the following books:

- Pierre Meystre “Atom Optics”, Springer (2001)

- Claude Cohen-Tannoudji and David Guéry-Odelin “Advances in Atomic Physics”, World Scientific (2011)

Teaching material to support some lessons (scientific articles, mainly) can be found on the course web page on Elearning

Indicazioni per non frequentanti

I non frequentanti possono ottenere informazioni dettagliate sul programma svolto a lezione consultando il registro delle lezioni su unimap e sono invitati a contattare il docente per ogni chiarimento.

Non-attending students info

Non-attendants can get detailed information about the lesson program by consulting the lesson log on unimap and are invited to contact the teacher for any clarification.

Modalità d'esame

L'esame consiste in una prova orale, ossia in un colloquio tra il candidato e il docente anche in forma di domanda/risposta, sui vari argomenti trattati nel corso. E' prevista la possibilità di iniziare l'esame con l'esposizione di un argomento a scelta dello studente, presentato sotto forma di seminario (è obbligatorio concordare l'argomento del seminario con il docente).

Nota: gli esami potrebbero essere tenuti in forma esclusivamente telematica a causa delle restizioni dovute a Covid-19, fino a data da stabilirsi.

Assessment methods

Oral examination, possibility to start the exam with the presentation of a topic chosen by the student (compulsory to agree the topic with the teacher).

Updated: 05/08/2020 12:27