RICERCA ITALIANA     

Atomi Ultrafreddi e Nuove Fasi Quantistiche

Università degli Studi di Firenze

Abstract

Lo scopo principale del progetto è quello di utilizzare atomi ultrafreddi per studiare fenomeni quantistici di rilievo nella fisica moderna.
La possibilità di realizzare gas atomici fortemente correlati e di controllarne i parametri ci consentirà di studiare a fondo la fenomenologia di diverse fasi quantistiche sia in sistemi fermionici che in sistemi bosonici o in miscele.
Gli argomenti di studio principali sono: nuove fasi quantistiche in gas fortemente correlati in reticoli, fase superfluida e normale in un gas di Fermi fortemente interagente nel crossover BCS-BEC, fasi localizzate e vetrose dovute alla presenza del disordine, e fasi superfluide di bosoni in sistemi a bassa dimensionalità.
Ci aspettiamo che la comprensione di questi fenomeni, che interessano diverse discipline, grazie allo studio di sistemi di atomi ultrafreddi, consentirà di chiarire il comportamento di sistemi più complessi che sono studiati in altri campi della fisica.
Questioni ancora aperte a cui vorremmo dare risposta sono per esempio: è possibile realizzare e controllare una fase FFLO in gas di Fermi superfluidi? Che cosa possiamo imparare riguardo alla fase pseudogap nei superconduttori ad alta temperatura dagli esperimenti con atomi fermionici ultrafreddi? Qual è il ruolo delle interazioni nella transizione di Anderson fra metallo ed isolante? E’ nostra intenzione, inoltre utilizzare atomi in reticoli allo scopo di implementare nuove architetture per applicazioni di >>>

Coordinatore Scientifico del Programma di Ricerca

Massimo Inguscio Università degli Studi di FIRENZE

Obiettivo del Programma di Ricerca

Lo scopo principale di questo progetto è quello di progredire nella comprensione di fenomeni quantistici che sono alla base di molti dei sistemi studiati dalla fisica moderna. Gli atomi ultrafreddi offrono infatti la possibilità, mai avuta in precedenza, di realizzare sistemi la cui Hamiltoniana può essere controllata precisamente. Negli apparati sperimentali a nostra disposizione possiamo realizzare campioni bosonici, fermionici e miscele e controllare le interazioni tra le particelle; questo ci consentirà di indagare fenomeni che interessano discipline diverse della fisica come la superfluidità, lo studio di fasi quantistiche in reticoli, il disordine ed i sistemi a bassa dimensionalità. La conoscenza completa delle Hamiltoniane dei sistemi studiati ci consentirà di raggiungere una comprensione profonda dei fenomeni osservati.
Nell’ambito di questo progetto verranno investigati fenomeni rilevanti che emergono dal contesto delineato in precedenza. Per una presentazione più chiara degli obiettivi, abbiamo individuato quattro linee di ricerca principali che sono descritte più in dettaglio qui di seguito. Si noti che questa è una suddivisione della ricerca proposta, in qualche modo arbitraria, dal momento che queste quattro linee sono fortemente interconnesse.

1) Superfluidità in gas di Fermi
Il nostro obiettivo principale è quello di utilizzare atomi ultrafreddi per studiare il crossover BCS-BEC in un gas di Fermi fortemente interagente.
Il >>>

Risultati parziali attesi

Il raggiungimento degli obiettivi del presente progetto consentirà un significativo progresso nella comprensione di rilevanti fenomeni quantistici connessi con la superfluidità fermionica, le transizioni di fasi quantistiche, il disordine e la bassa dimensionalità. Ci aspettiamo che nel giro di due anni emergano, come naturale continuazione di questo progetto, nuove direzioni di ricerca al confine tra fisica della materia condensata e fisica dei gas ultrafreddi.

Ci aspettiamo, per esempio, che la ricerca proposta sui sistemi fermionici chiarisca la fisica dei gas di Fermi sbilanciati al crossover BCS-BEC, possibilmente dando nuove indicazioni di come rivelare la fase di FFLO fino ad oggi non osservata. Le previsioni teoriche permetteranno di definire la strategia ottimale per gli esperimenti di miscele fermioniche di differente specie atomiche, che ci proponiamo di realizzare nel contesto di questo progetto. La ricerca sul disordine condotta utilizzando gas di Bose con interazioni variabili in un reticolo quasi-periodico dovrebbe essere in grado di mostrare qual è il ruolo delle interazioni nella transizioni di Anderson tra metallo e isolante. Come già sottolineato, i gas quantistici ultrafreddi offrono per la prima volta l’opportunità di controllare sia il disordine che le interazioni. La comprensione della localizzazione di Anderson in un sistema bosonico motiverà sicuramente future ricerche sul fenomeno analogo nel caso di gas di Fermi superfluidi, che ha >>>

Durata

24 mesi

Base di partenza scientifica nazionale o internazionale

Gli atomi ultrafreddi costituiscono un vero banco di prova per studiare nuovi fenomeni e tentare di dare risposte a problemi della fisica moderna. Tutto ciò è reso possibile dalla capacità di controllare la maggior parte dei parametri di questi sistemi, inclusa la dimensionalità e le interazioni fra le particelle, e dalla possibilità di accedere a diverse osservabili attraverso sofisticate tecniche diagnostiche. Alcune tematiche di ricerca nell’ambito delle quali i gas quantistici vengono utilizzati per studiare fenomeni di materia condensata, hanno avuto un rapido sviluppo negli ultimi anni, grazie anche ad un contributo significativo sia teorico che sperimentale delle quattro Unità che partecipano a questo progetto. Queste tematiche includono: il crossover BCS-BEC in fermioni fortemente interagenti [1-8], fasi quantistiche in gas fortemente interagenti in potenziali periodici [9,10], fenomeni indotti dal disordine [11-14], sistemi a bassa dimensionalità [15-19], miscele degeneri [20-25], gas con interazioni controllabili [26-29] e atomi ultrafreddi in reticoli ottici [30-41].
Nel seguito presentiamo lo stato dell’arte per le diverse linee di ricerca interconnesse in cui il nostro progetto può essere diviso.

1) La transizione BCS-BEC in una miscela fermionica di due stati di spin diversi è stata osservato sperimentalmente variando le interazioni attraverso una risonanza di Fano-Feshbach sia nel 40K [42] che nel 6Li [43,44], ma ci sono ancora diverse >>>