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Gas quantistico degenere di atomi di Disprosio

Le interazioni a lungo range, come quella Coulombiana fra elettroni o quella dipolare magnetica fra atomi dotati di spin elettronico, governa spesso il comportamento di molti sistemi fisici. Un esperimento dove si studino in modo controllato queste interazioni a lungo range è perciò di interesse generale. In natura, molecole polari e atomi di Rydberg, raffreddati sotto il milliKelvin, nonché gas quantistici degeneri di atomi con forte dipolo magnetico offrono la possibilità di creare sistemi ad-hoc dove studiare specifici meccanismi presenti nella nella materia condensata e forse di ingegnerizzare nuovi materiali. In particolare, la possibilità di confinare questi sistemi atomici o molecolari in strutture ordinate formate da reticoli ottici, dà la possibilità di studiare sistemi fortemente correlati a differente dimensionalità.
Con il presente progetto noi vogliamo realizzare un gas quantistico degenere di atomi di disprosio confinato in un reticolo ottico per realizzare simulazioni quantistiche e studi di sistemi fortemente correlati. Contrariamente agli atomi alcalini (cesio, rubidio, etc.) che sono comunemente impiegati negli esperimenti di atomi freddi, il disprosio ha un momento di dipolo magnetico nello stato fondamentale, pari a 10 magnetoni di Bohr, che è il più grande fra gli elementi naturali. Per questa ragione, gli atomi di disprosio oltre che ad interagire fra loro attraverso la forza di van der Waals, che è un'interazione di contatto e quindi isotropa, interagiscono anche attraverso la forza magnetica che è anisotropa e a lungo range. La combinazione di questi due ingradienti fa apparire nuovi fenomeni quantistici che iniziano appena ad essere esplorati [1-3]. Inoltre, il disprosio presenta in abbondanza comparabile, sia isotopi fermionici che bosonici, quindi permette di studiare aspetti dipendenti dalla statistica.

Nel luglio 2016.è stata osservata per la prima volta una trappola magneto-ottica per il 162Dy, caratterizzata nella ref. [4], e a novembre 2017 un Condensato di Bose-Einstein (BEC) di 162Dy. I primi esperimenti col condensato e la sua caratterizzazioine sono in corso.

Questo esperimento è frutto di una intensa collaborazione fra la Sede Secondaria di Pisa del CNR-INO e il LENS (Università di Firenze e INO di Sesto F)..

References
[1] C. Trefzger, C. Menotti, B. Capogrosso-Sansone, and M Lewenstein, Ultracold dipolar gases in optical lattices, J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys. 44 (2011) 193001.
[2] Mingwu Lu, Nathaniel Q. Burdick, Seo Ho Youn, and Benjamin L. Lev, Strongly Dipolar Bose-Einstein Condensate of Dysprosium, Phys. Rev. Lett. 107 (2011) 190401
[3] Mingwu Lu, Nathaniel Q. Burdick, and Benjamin L. Lev, Quantum Degenerate Dipolar Fermi Gas, Phys. Rev. Lett. 108 (2012) 215301
[4] E. Lucioni, G. Masella, A. Fregosi, C. Gabbanini, S. Gozzini, A. Fioretti, L. Del Bino, J. Catani, G. Modugno, M. Inguscio, A new setup for experiments with ultracold dysprosium atoms, Eur. Phys. J. Sp. T. 226, 2775–2780 (2017)


Trappola magneto-ottica di Disprosio: vita media e numero di atomi vs detuning. In prospettiva: dipoli atomici intrappolati in un reticolo ottico per effettuare simulazioni quantistiche.

Transizione di un insieme di oltre 20.000 atomi di Disprosio da gas ordinario a condensato di Bose-Einstein. Tale transizione avviene a temperature inferiori a 100nK
Personale INO:

Dipendenti: Gabbanini Carlo, Gozzini Silvia, Catani Jacopo, Fioretti Andrea, Barbini Alessandro, Tagliaferri Mauro, Voliani Mauro, Pardini Federico

UOS/Laboratorio INO:
Sezione INO di Pisa - "Adriano Gozzini", Sezione INO di Sesto Fiorentino presso il Dipartimento di Fisica dell'Università degli Studi di Firenze, Sezione INO di Sesto Fiorentino presso il LENS
Area/e Applicativa:
Ricerca, Istruzione e formazione, Sicurezza, Metrologia & Sensori, Tecnologia delle Comunicazioni & Informazioni
Principali Prodotti della Ricerca associati:
1) Towards a quantum degenerate gas of Dysprosium atoms in optical lattices: a quantum simulator for dipolar interacting systems presentato a: Synthetic Quantum Magnetism, SYQMA15 (2015) di Fioretti A., Gabbanini C., Gozzini S., del Bino L., Catani J., Modugno G., Inguscio M., Lucioni E. (Abstract/Poster/Presentazione in congresso)
2) Progress towards the realization of a quantum degenerate dipolar gas of dysprosium atoms presentato a: INO Annual Symposium 2014 (2014) di Fioretti A., Catani J., del Bino L., Gabbanini C., Gozzini S., Inguscio M., Lucioni E., Modugno G. (Abstract/Poster/Presentazione in congresso)

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