QUANTUM OPTICS
Anno accademico 2019/2020 - 1° anno - Curriculum CONDENSED MATTER PHYSICSCrediti: 6
SSD: FIS/02 - FISICA TEORICA, MODELLI E METODI MATEMATICI
Organizzazione didattica: 150 ore d'impegno totale, 108 di studio individuale, 42 di lezione frontale
Semestre: 2°
Obiettivi formativi
Fornire gli strumenti matematici e teorici atti a descrivere: 1) gli effetti dell’interazione della luce con sistemi quantistici, per rendere lo studente in grado di affrontare e comprendere gli sviluppi attuali nel campo della manipolazione di sistemi quantistici finalizzata allo sviluppo di sistemi di informazione quantistica e di dispositivi ottici; 2) la natura quantistica della radiazione elettromagnetica, per introdurre lo studente ad alcuni recenti aspetti della ricerca sui fondamenti della meccanica quantistica. Alla fine del corso lo studente deve essere in grado di affrontare e sviluppare autonomamente l'approfondimento dei principali campi di ricerca e applicazione dell'ottica quantistica.
Modalità di svolgimento dell'insegnamento
Lezioni frontali.
Prerequisiti richiesti
Elementi di Elettrodinamica Classica, Meccanica Quantistica
Frequenza lezioni
Obbligatoria
Contenuti del corso
Modello di Lorentz di interazione atomo-campo elettromagnetico. Cenni di teoria perturbativa dipendente dal tempo. Approccio semiclassico: atomi interagenti con un campo elettromagnetico classico. Processi di interazione atomo-luce. Hamiltoniano di interazione. Transizioni tra livelli atomici pilotati da un campo elettromagnetico oscillante. Assorbimento tra livelli di vita media finita. Amplificazione laser. Equazioni di Rate. Matrice densità e equazioni ottiche di Bloch. Manipolazione delle coerenze quantistiche. Frange di Ramsey. “Photon Echoes”. Trasparenza indotta elettromagneticamente. Slow light. Quantizzazione del campo elettromagnetico libero. Stato fondamentale di radiazione. Radiazione di singolo modo. Stati numero e stati coerenti. Radiazione multimodale. Interazione atomo-radiazione elettromagnetica quantizzata. Processi di interazione. Emissione spontanea. Elettrodinamica quantistica di una cavità. Effetto Purcell. Introduzione all’ottica non lineare. “Three-wave mixing”.
Per venire incontro agli interessi specifici degli studenti che frequentano il corso, gli argomenti delle lezioni possono subire delle variazioni rispetto all'ordine e anche al contenuto del programma previsto.
Testi di riferimento
1) Introduction to Quantum Optics From the Semi-classical Approach to Quantized Light GILBERT GRYNBERG ALAIN ASPECT CLAUDE FABRE CAMBRIDGE UNIVERSITY PRESS 2) The quantum theory of light Rodney Loudon Oxford University Press. 3) P.R. Berman e V.S.Malinovsky, Principles of laser spectroscopy and quantum optics, Princeton University Press.
Programmazione del corso
Argomenti | Riferimenti testi | |
---|---|---|
1 | Modello di Lorentz di interazione luce-atomo, suscettività classica | |
2 | Permittività dielettrica, indici di rifrazione, velocità di gruppo | |
3 | Coefficienti di Einstein | |
4 | Sistema a due livelli, approsimazione semiclassica, soluzione perturbativa e “esatta”, oscillazioni di Rabi. Effetti di saturazione. Dark states.. | |
5 | Matrice densità | |
6 | Equazioni di evoluzione della matrice densità. Sfera di Bloch, equazioni ottiche di Bloch | |
7 | Manipolazione degli stati atomici. Frange di Ramsey, effetto eco. | |
8 | Sistemi a tre livelli. Trasparenza indotta. | |
9 | Trattazione classica di ottica nonlineare | |
10 | Equazioni di Maxwell in mezzi nonlineari: approssimazioni | |
11 | Three waves mixing. Relazione di Manley-Rowe. Amplificazione e fluorescenza paramentrica | |
12 | Termini non lineari del terzo ordine. Effetto Kerr | |
13 | Quantizzazione del campo elettromagnetico: linee guida | |
14 | Stati quantistici della radiazione e.m. singolo modo: stati numero, quasiclassici, sqeezed | |
15 | Specchi semitrasparenti, interferometro di Mach Zender | |
16 | Manifestazioni della natura quantistica della radiazione |
Verifica dell'apprendimento
Modalità di verifica dell'apprendimento
Colloquio orale della durata di circa 45-60 min
Esempi di domande e/o esercizi frequenti
non disponibili